融合Radon变换的孔边裂纹Lamb波定位成像研究

基于不同模态Lamb波与孔边裂纹相互作用的基本原理,聚焦不同模态Lamb波波包飞行时间精确检测问题,以各向同性板中的孔边裂纹为研究对象,开展了融合Radon变换的孔边裂纹Lamb波定位成像研究。首先,使用宽频chirp信号激励稀疏传感器阵列产生Lamb波,并采集通孔散射信号作为基线信号,采集孔边裂纹散射信号作为缺陷信号。其次,对chirp响应信号进行滤波处理,优化选取窄带单音频脉冲响应信号的中心频率和调制周期数。然后,对基线单音频脉冲响应信号进行Radon变换,得到优化后的群速度和偏移时间,并计算出Lamb波波包飞行时间。最后,使用椭圆定位成像算法对孔边裂纹进行定位成像,并将成像结果与名义群速度法的结果进行对比。结果表明,使用Radon变换可以准确获取Lamb波波包飞行时间,提升了不同模态Lamb波对孔边裂纹缺陷的检测能力。

45钢表面硬化层深度的高鲁棒性微磁定量预测方法

考虑多功能微磁检测系统对微磁参量的重复测试性能,研究利用系统对45钢表面硬化层深度进行高鲁棒性定量预测的方法。首先,利用测试数据的变异系数β统计方法,定量评价了系统对41项微磁参量的重复测试能力,结合指标β和微磁参量对硬化层深度的敏感性指标S,对微磁参量进行了筛选;其次,融合多项微磁参量建立了硬化层深度的前馈神经网络定量预测模型,提出了改善模型鲁棒性的建模策略及鲁棒性评价方法;最后,讨论了输入节点逐项剔除和有条件保留规则对模型鲁棒性的影响规律。与传统建模方法相比,利用规则剔除微磁参量项数为8时,模型的MAE均值和MAE值小于5%的模型数量P分别下降约68.8%和增加约150%,表明提出的建模策略可以有效改善仪器在45钢表面硬化层深度定量预测过程中的鲁棒性。

高能脉冲磁弹仪器研制及其索力表征实验研究

针对在役桥梁钢索的索力检测需求,基于磁弹效应检测机理,首先,设计了便携式脉冲磁弹索力检测仪器,其可输出0~600 V电压可调、电流峰值高达60 A的高能尖峰脉冲信号,实现了对不同直径钢索的充分磁化,仪器主要包括上位机(含软件)、具有反馈控制的脉冲磁弹仪下位机和基于多芯线缆的改进磁弹传感器;其次,对公称直径17.8 mm的七芯钢绞线进行加载和卸载索力检测实验,实现了钢绞线的饱和磁化,磁弹传感器绕制效率是传统方法的8倍,分析了传统索力表征参量与索力之间的线性相关性;最后,在此基础上,提出一种索力表征参量--饱和磁导率μs,其线性拟合优度大于95%,且灵敏度(0.05)高于传统参量。通过对索力表征误差分析,该参量相较于传统参量在索力表征方面显示出较低的预测误差(3.7%)和迟滞误差(±1.54%)。该研究提出的参量可为脉冲磁弹法检测索力提供新的表征方法。

SUPER304/T92异种钢焊接件热老化的涡流检测

异种钢焊接接头是超(超)临界发电机组管道的薄弱环节,在高温高压作用下易出现力学性能退化甚至失效现象。涡流检测是金属材料检测的一种重要方法,采用涡流法对SUPER304/T92异种钢焊接件的热老化进行检测。首先,研制涡流传感器并搭建了涡流扫查试验平台;其次,开展涡流扫频试验,分析不同激励频率对焊接试件涡流检测能力的影响,优选三种励磁频率下的涡流检测信号,并结合试件的金相显微组织进行分析;最后,研究SUPER304、焊缝和T92三种不同区域的涡流信号随热老化时间的变化关系,并与试件表面硬度进行相关性分析。试验结果为异种钢焊接件的热老化评估提供了一种有效的无损检测方法。

北京工业大学无损检测与评价研究所2022年度研究进展

北京工业大学无损检测与评价研究所成立于1998年,拥有机械工程一级学科博士点、控制科学与技术一级学科博士点、仪器科学与技术一级学科硕士点招生方向,主要利用声、光、电的波动特性对机械结构、功能材料等进行无损检测与结构健康监测。

基于磁致伸缩超声导波的道岔尖轨缺陷监测实验研究

尖轨缺陷是道岔系统的重要安全隐患之一。研究利用平板式磁致伸缩传感器在轨底激发30、70和100 kHz的类水平剪切波,对尖轨轨头和轨底缺陷进行监测。首先,研究了环境温度对尖轨中特征结构反射回波波包能量的影响规律,观察到波包能量随温度近似线性增长。提出利用特征信号和基准信号能量比值的方法,有效补偿温度对监测结果的影响。其次,开展了尖轨轨头和轨底缺陷体积增大过程中的导波监测实验,利用了缺陷及其后端反射波包能量“先扬后抑”的特性,增强了导波对缺陷的识别能力。以30和70 kHz导波为例,它们可分别识别出长20.0 mm、宽2.0 mm、深7.1 mm的轨底缺陷和长38.6 mm、宽2.0 mm、深10.1 mm的轨头缺陷。上述研究表明,磁致伸缩导波技术可以实现道岔尖轨缺陷的有效监测,具有重要的工程应用前景。

钢板硬斑的增量涡流扫查成像方法与仪器

硬斑测试是高端钢板产品质量评价的关键内容。本文基于增量涡流检测原理,研制了国产化的钢板硬斑磁检测仪器,并对仪器功能和性能进行了实验测试。首先,研制了增量涡流检测传感器,开发了基于交流电桥测试和相位旋转解调方法的增量涡流检测电路,集成了专用仪器;其次,利用仪器在Cr12MoV钢板和X70管线钢中开展了多组检测试验,结果表明:传感器的横向分辨率可达10 mm,增量涡流信号解调波形峰峰值U_(p)随表面硬度增加近似线性下降。在高出基准34.8%的硬斑区域内,U_(p)值下降约75%。利用U_(p)这一敏感参数对X70管线钢进行扫查成像,可准确识别出宽约10 mm的硬斑。上述研究结果为高端钢板硬斑的在线无损检测提供了方法和仪器支撑。

基于兰姆波的平板频分复用数据传输系统研究

以兰姆波为载体实现平板上数据通信具有传输距离远、使用成本低和可靠性高等优点,可以在保证结构完整性的条件下实现非电磁波通信。该文建立平板中兰姆波频分复用发射信号通用模型,分析兰姆波频分复用发射信号的构建规则。首先,对现有传感器进行扫频实验,确定兰姆波激励频带;其次根据平板材料参数、尺寸参数和传感器位置信息分析板长对激励信号时长的影响,得到频分复用激励信号的子载波个数及其中心频率;最后使用格兹尔算法快速提取信号频谱中的幅度信息,利用传感器扫频曲线对信号频谱进行补偿,减少子载波频带在传输时的频率选择性衰减。将传感器布置在平板的不同位置上进行声数据传输实验,结果表明,通过所构建的兰姆波频分复用激励信号通用模型,可以有效地进行声数据的传输,为使用兰姆波传输声数据提供了可行的技术方案。

风机塔筒焊缝缺陷漏磁与磁扰动检测性能对比

风机塔筒焊缝缺陷种类多样,不仅对塔筒的结构完整性构成重大威胁,对焊接区的无损检测也提出了相当大的挑战。采用漏磁与磁扰动检测方法对风机塔筒焊缝区域进行检测并对比其检测性能,为利用两种方法综合检测塔筒焊缝缺陷提供依据。首先,研制了适于焊缝缺陷检测的漏磁与磁扰动阵列传感器,制备了4种类型的缺陷试样并构建了检测试验平台;其次,试验获得了不同缺陷的漏磁与磁扰动多通道阵列扫查结果,并采用插值成像的方法对缺陷进行了二维成像;最后,利用检测结果对漏磁与磁扰动检测的性能进行了对比分析。结果表明,漏磁检测在小宽度裂纹检测和圆孔深度表征方面优于磁扰动检测,磁扰动则对小角度裂纹和小尺寸圆孔缺陷的检出性能更好。

电镀镍膜应变的磁巴克豪森噪声试验表征

探讨了紫铜基板表面电镀镍膜拉应变的磁巴克豪森噪声测试和表征方法。首先,构建了能够同步测量电镀镍膜拉伸过程中应变和磁巴克豪森噪声信号的试验装置,获得了不同厚度镍膜中表面切向磁场强度信号,以及不同应变条件下的磁巴克豪森噪声,并从两种信号中筛选出对镍膜厚度、应变敏感的特征磁参量;最后,通过方程拟合分析了特征磁参量对镍膜厚度、拉应变的定量表征能力。结果表明,随着镍膜厚度增加,切向磁场强度的基波幅值(A_(1))呈现良好线性下降趋势;磁巴克豪森噪声特征参量(M_(max)或M_(mean))和拉应变的依赖关系服从指数型衰减函数关系。通过组合两种信号的特征参量,可以实现镍膜厚度和拉应变的定量检测。

道岔尖轨轨底缺陷的磁致伸缩导波监测实验研究

道岔尖轨在线监测是轨道智慧运维的工程技术难题之一。该文利用开发的磁致伸缩超声导波监测系统,对道岔尖轨开展了轨底缺陷监测实验。首先,分析了温度对导波监测信号特征的影响,波包能量值、传播时间均与温度呈近似正相关;其次,对比研究了基于标定方程和参考基准的两种温度补偿方法,其中参考基准法对信号的补偿效果更佳;最后,利用温度补偿后的特征波包能量值实现了缺陷尺寸逐步扩大过程的有效监测,且波包能量值随缺陷深度的变化规律可以用抛物线方程进行近似描述。上述研究结果表明磁致伸缩超声导波技术可以应用于道岔尖轨轨底缺陷的监测及定量评估。

磁致伸缩与磁弹一体化传感器的研制

为开发具有缺陷检测与应力测量双功能的单体传感器,设计出一种包括静态偏置磁路和内、外层感应线圈的一体化传感器结构,可工作于磁致伸缩与磁弹传感器两种模式。结合磁致伸缩与磁弹基本理论,以能量转换效率和应力测量灵敏度为指标,采用有限元仿真法对一体化传感器的偏置磁场进行优化选取。一体化传感器的试验测试结果表明,传感器工作于磁致伸缩传感器模式时,可在直径6.3 mm钢杆中激励产生L(0,1)模态超声导波并有效检测出宽度和深度均为1 mm的槽型缺陷,增加外层感应线圈的驱动直流可对静态偏置磁场强度进行补偿以使接收的缺陷回波信号幅值增加,提高传感器的缺陷检测能力;工作于磁弹传感器模式时,随激励信号幅值增大,传感器的应力测量灵敏度和测量结果线性度均有提高,其中测量结果线性拟合确定系数最高达0.992 4,表明一体化传感器可用于高精度应力测量。

抗高温缓凝剂GH-ⅡB在中原油田固井中的应用

针对高温高压深井固井中发生的问题,中原油田采用了加有抗高温缓凝剂GH-ⅡB的水泥浆体系。该缓凝剂是有机多糖化合物经深度氧化后生成的液态物质,其羧基官能团能吸附在水化物表面形成保护膜,并抑制水化物与水接触,减缓水化物晶核的生成,从而降低水泥颗粒的水化速度。室内试验表明,抗高温缓凝剂GH-ⅡB具有较高的热稳定性,对水泥有良好的缓凝特性和一定的减阻能力,可适用于95-160℃的高温区域,稠化曲线近似呈直角;可形成早期强度,减少失重危害,并与其它外加剂配伍性良好。抗高温缓凝剂GH-ⅡB经在40多口探井和深井使用,效果良好,固井合格率达99%,优良率在80%以上。

基于多层结构磁滞模型的硬化层深度磁学表征与检测方法

零部件表面经过硬化处理后,一般将形成由硬化层、过渡层和心部组织组成的三层结构,而硬化层深度是表面力学性能的重要评价指标。为将磁测法应用于硬化层深度的定量检测,建立了基于点状磁荷假设的多层结构磁滞模型,预测出三层结构微分磁导率曲线的双峰特性。双峰峰值、峰值比等参数与硬化层深度存在良好线性关系,由此提出一种硬化层深度的磁学无损检测新方法。对具有不同深度高频感应淬硬层的40Cr钢杆试样进行磁滞回线试验测试,分析结果表明:相比矫顽力,微分磁导率曲线的双峰峰值比更适用于硬化层深度的定量表征,其重复测试结果的变异系数小于1%,与硬化层深度的线性拟合确定系数高于0.95。建立的多层结构磁滞模型可为硬化层深度的磁测法提供理论依据,基于微分磁导率双峰曲线的硬化层深度检测方法可推广至平面或曲面构件。

一种用于电磁发射的电感电容混合型储能脉冲电源

为探索电感储能脉冲电源用于电磁发射的可行性,研究了电感电容混合型meatgrinder脉冲电源电路.分析了带轨道炮负载的这种混合储能型脉冲电源系统的工作原理,结合仿真,研究了电源模块中电感、耦合系数和电容等参数对系统性能的影响,讨论了多个电源模块的并联运行问题.通过合理设计电源电路参数,这种脉冲电源电路用于轨道炮的发射是可行的,并且通过多模块的并联运行可以获得理想的脉冲电流波形和更高的系统能量转换效率.

新型电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑

提出了一种用于电磁发射的电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑。该拓扑中两储能电感充电时串联,放电时并联,以实现电流倍增。与meatgrinder电路相比,该电路两储能电感之间不需要磁耦合,具有设计简单灵活、容易制造的特点。为避免电感储能断路时断路开关出现过电压问题,用电容作为能量转换器件可实现开关的零电压断路。对该脉冲电源系统的工作原理进行了理论分析,搭建了小型实验系统,验证了该电源拓扑的可行性。以轨道炮为负载,对电感、电容参数对系统性能的影响进行了仿真分析,结果表明多个电源模块的并联运行能明显提高系统能量转换效率。

G306降失水剂在中原油田固井中的应用

中原油田断层多,地下层系复杂,固井作业后在水泥浆候凝期间,地下流体极易侵入,造成水泥环胶结不良甚至窜槽等问题。采用了一种新型的聚合物降失水剂G306。G306油井水泥降失水剂由多种高分子材料、无机盐按一定的比例复配而成,属聚合物微胶粒材料类外加剂。G306具有与其它外加剂配伍性好、稠化时间易调、易泵送,适应温度范围宽,抗高温和降失水性能好的优点,可将水泥浆失水量降至50mL以下,形成薄膜并具有一定的韧性,利于水泥浆在候凝过程中防止油、气、水窜槽。现场应用表明,G306降失水剂可大大改善水泥浆的综合性能,提高水泥浆的抗气窜、水窜的能力。该水泥浆作业施工顺利,固井质量合格率达99%,优良率达88%,取得了良好的效果。

浅层稠油井固井技术

南阳油田的浅层稠油分布面积大,深度一般为200～1000 m,常温下稠油粘度为9050～52000 mPa·s,钻井中井漏、井壁坍塌时有发生,钻井液密度难以控制,固井合格率一直在80%左右,优良率不到60%,固井质量严重影响了油田的产能建设和合理开发.经过对浅层稠油井固井技术的研究、试验,形成了一套适合于浅层稠油井固井的工艺技术措施和水泥浆体系.一般情况下,采用密度为1.90 g/cm3加砂双凝水泥浆体系,该体系性能满足了稠油井低温固井、后期高温注蒸汽开采作业的特殊要求;在30 ℃左右时,长段水泥浆稠化时间控制为90～120 min,短段为50～60 min,失水量小于50 Ml.经现场应用表明,该体系在南阳古城和井楼地区共固稠油井70余口,平均井深为400 m,水泥浆全部返至地面,固井质量合格率达96%,优良率达82%,取得了好的效果.

金刚石/环氧树脂复合物热导率的分子动力学模拟

提高环氧树脂热界面材料热导率对解决5G等微电子芯片高热流密度散热问题具有重要意义.采用非平衡态分子动力学方法,重点研究了纳米金刚石填料的不同填充方式对环氧树脂基复合物热导率的影响.结果表明,单颗粒填充方式下,复合物热导率随金刚石尺寸的增大而增大,大尺寸金刚石填料可以降低复合物的自由体积分数,对热导率的提升效果更显著;多颗粒填充方式下,复合物热导率随颗粒数的增多呈先增大后减小的趋势,增加颗粒数可以减小复合物的自由体积分数,但具有更大的比表面积及界面热阻,其对热导率的削弱作用更为显著.此外,同一质量分数下,增大纳米金刚石颗粒尺寸比增加颗粒数对复合物热导率的提升效果更为显著.本文研究对具有高热导率的纳米金刚石/环氧树脂复合物热界面材料的设计和制备具有指导意义.

兆赫兹磁致伸缩超声导波管道检测系统的研制

研制的扭转模态磁致伸缩管道检测系统采用排线式磁致伸缩传感器时,可在管道中激励出低频T(0,1)模态超声导波,并有效检测出管道中截面缺失率为3%的通孔缺陷。为拓展检测系统的工作频率范围,设计出一款柔性印刷感应线圈,对其进行的实验验证结果表明,柔性线圈式磁致伸缩传感器可在管道中激励出兆赫兹T(0,1)模态超声导波,传感器的中心频率达1.30 MHz,有望进一步提高磁致伸缩传感器的缺陷检测灵敏度。柔性印刷线圈无需使用适配器,可直接卷曲贴覆在管道表面,易于拆装。由此,研制的磁致伸缩管道检测系统的频率范围可覆盖几十千赫兹到兆赫兹,适合应用于实际工程检测。