一种考虑微观结构的磁声发射理论模型

磁声发射是评价铁磁性材料力学性能的一种重要无损检测方法,然而鲜见磁声发射理论/数值模型的报道。本文提出了一种考虑微观结构(位错密度、晶粒尺寸)的磁声发射理论模型。通过数值计算,研究了磁化结构参数和微观结构参数对磁声发射信号包络的影响。之后,重点对磁声发射理论模型的合理性进行了验证。基于不同硬度试件上测得的磁声发射信号,利用遗传算法对理论模型中的动态磁滞参数和磁化结构参数进行了反演。结果发现,在反演参数下理论模型计算得到的磁声发射信号与实验信号吻合较好,且关键磁滞参数的反演值与理论值最大误差小于15%。因此,提出的理论模型可用于磁声发射信号的预测。

疲劳裂纹水浸式非线性超声混频检测方法研究

对钢材试件疲劳裂纹开展水浸式非共线横波混频检测方法研究。利用搭建的水浸式非共线横波混频检测系统和极性反转信号处理方法,进行疲劳裂纹水浸式非共线横波混频检测试验,研究两列非共线横波相互作用角和频率比对混频效应的影响,在此基础上,开展疲劳裂纹二维自动化扫查检测研究。试验结果表明:极性反转法可有效提取检测信号中的混频效应;疲劳裂纹非共线横波混频检测的最佳相互作用角和频率比与经典非线性超声混频理论的谐振条件发生偏移;非共线横波混频二维扫查方法可对试件中疲劳裂纹进行定位和定量检测。研究工作为非共线超声混频检测方法的工程化应用作出了有益探索。

各向异性焊缝缺陷超声阵列全聚焦成像方法

针对奥氏体不锈钢焊接构件安全评价需要,对各向异性结构中超声波传播特性进行了研究,利用射线追踪法确定了各向异性介质中声波传播路径。在传统全聚焦成像基础上,发展了一种用于各向异性焊缝中缺陷检测的超声阵列全聚焦成像方法。通过数值仿真和实验,研究了介质材质对超声阵列成像的影响,结果表明,发展的全聚焦成像方法可以很好实现各向异性焊缝中缺陷检测,缺陷定位更准确。项目研究工作为奥氏体不锈钢焊缝检测提供了可行的技术方案.

金属板疲劳损伤非线性兰姆波混频检测

针对金属板结构安全运行需要,开展了金属板结构疲劳损伤非线性兰姆波混频检测方法研究。通过数值仿真,研究了两列A_(0)兰姆波与材料损伤间的非线性相互作用。结果表明,两列共线A_(0)兰姆波在结构材料损伤处产生单向传播的和频S_(0)波,且和频波幅值随传播距离具有积累增长效应。对不同疲劳程度金属板试件进行了共线混频兰姆波检测实验,结果表明,和频波幅值随试件疲劳周数的增加呈单调递增趋势,提出的兰姆波混频技术可用于金属板结构疲劳程度的表征。研究工作为金属板结构疲劳损伤检测提供了可行的技术方案。

基于超声局部谐振的板结构缺陷定量检测方法

为提高板结构缺陷检测效能,提供一种基于宽带激励的超声局部谐振检测方法。利用最大类间方差法对宽带激励下的超声波场进行了分析处理,得到了缺陷的超声局部谐振频率,并将超声局部谐振频率下声场的空间分布用于板结构损伤检测成像;针对特定材料及厚度的各向同性板结构,通过均匀设计试验的方法,建立了缺陷尺寸与其超声局部谐振频率的关系模型。实验结果表明,所提超声局部谐振检测方法可以高效地实现各向同性及各向异性板结构损伤检测。利用回归分析模型还可实现缺陷几何参数的反演,且反演精度较高(半径反演误差最大为2 mm,厚度反演误差最大为0.6mm)。该方法为板结构缺陷检测及定量分析提供了可行的技术方案。

奥氏体不锈钢焊缝超声阵列检测方法

在焊接热循环作用下,奥氏体不锈钢焊缝内部呈粗大柱状晶组织,且其取向在焊缝不同区域呈各向异性.针对粗大柱状晶引起的超声波散射和晶粒取向不同导致的声束偏折等问题,进行奥氏体不锈钢焊缝超声阵列检测方法研究.针对超声阵列获得全矩阵数据,发展了一种基于时间反转算子分解的超声阵列信号去噪方法.利用射线追踪法,研究了各向异性介质中超声波传播路径确定方法,并将其应用于奥氏体不锈钢焊缝超声阵列全聚焦成像的声束偏折校正.开展了奥氏体不锈钢焊缝超声阵列检测试验研究.结果表明,基于时间反转算子分解方法可以很好剔除检测信号中的散射噪声,凸显特征回波信息,可将全聚焦成像的信噪比提高10 dB,而波束偏折校正则可以提高超声阵列全聚焦成像中缺陷定位的精度.

金属包覆层管道外壁损伤低频漏磁检测技术

针对带有散热铝片等包覆层结构的铁磁性管道外壁损伤检测问题,发展了一种低频漏磁检测技术.根据包覆层管道的结构特点,研制了管内检测用低频漏磁传感器.通过数值仿真和检测实验,研究了传感器对管外壁不同深度、不同宽度缺陷的检测能力及包覆铝管对缺陷漏磁检测的影响.结果表明:检测信号幅值和谐波畸变率均可用于缺陷尺寸的定量表征,且当包覆铝管内存在感应涡流时,管外壁缺陷引起的漏磁场强度增加,即外加包覆铝管时,缺陷检测信号增大.因此,低频漏磁传感器对实际工况中包覆层管道的外壁损伤检测具有更佳效果.

基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法

针对多泄漏点产生的声发射信号及环境噪声对供水管道泄漏定位的影响,进行供水管道多泄漏点声定位方法研究。发展了一种基于迭代递推的供水管道多泄漏点声定位方法,研究迭代递推中品质因数阈值、信噪比阈值、相位偏移量的寻优区间和泄漏相关时频点的判定阈值等参数选择对泄漏定位效果的影响,并优选出适合的参数值。在此基础上,进行供水管道多漏点检测实验;结果表明,该方法可以实现管道上多个泄漏检测和定位,且定位误差小于1 m。研究工作为实际供水管道多泄漏点检测及定位提供了可行的解决方案。

单模态兰姆波线形阵列传感器研制及应用

针对兰姆波检测中的多模态现象对其缺陷检测效果的影响,进行了线形阵列单模态兰姆波选择方法研究。在对无限大板中线形阵列兰姆波传播问题理论分析的基础上,发展了一种基于遗传算法的线形阵列单模态兰姆波选择方法。在保持线形阵列激励幅值相同的情况下,通过将优化得到的时间延迟施加到线形阵列的各阵元,实现较单一模态兰姆波激励。同时,研究了激励频率对线形阵列兰姆波模态选择的影响,获得了单模态选择性较佳的检测频率;仿真和检测实验表明,通过调控线形阵列各阵元的激励时间延迟,可以较好地实现单一A0和s0检测。研究工作为超声导波模态选择提供了可行的技术手段。

用于缺陷定量的超声散射信号去相关分析及贝叶斯反演方法

针对结构中缺陷定量识别问题,建立了椭圆缺陷超声散射仿真模型,研究了缺陷偏转角度及尺寸对散射信号去相关特性的影响。结果表明,超声信号去相关系数矩阵与缺陷几何状态(如尺寸及角度)存在很大关联性,但并非线性相关。结合参数化有限元分析与贝叶斯理论,发展了一种基于超声散射信号去相关分析的缺陷反演方法,开展了缺陷反演数值仿真及检测实验。结果表明,发展的缺陷反演方法可以很好实现铝块与铝板缺陷位置及尺寸反演。其中铝块开口缺陷尺寸(深度)反演误差约为激励波长0.2倍,位置误差约为激励波长0.6倍;铝板圆形缺陷尺寸反演误差约为激励波长0.04倍,位置误差约为激励波长0.4倍。研究工作为结构中缺陷定量识别与评价做了有益探索。

宽带激励下的低频电磁检测技术

针对铁磁性构件损伤检测的需求,进行了宽带激励下的低频电磁检测技术研究。通过有限元仿真,研究了励磁信号频带对低频电磁场分布的影响;对宽带激励下低频电磁检测信号进行了相似度分析,提出了一种基于宽频响应欧式距离的缺陷表征方法。在以上研究基础上,进行了铁磁性结构缺陷检测试验,结果表明,与传统单频励磁的低频电磁检测技术相比,宽频激励检测技术能够大幅提高低频电磁场的穿透能力,基于宽频响应的欧式距离的表征方法对内部埋藏缺陷的检测能力和空间分辨能力更强。该研究工作为铁磁性构件大范围损伤检测提供了可行的技术方案。

一种用于界面接触状态评价的超声信号相似度分析方法

针对常规超声反射系数对界面接触状态灵敏度受限问题,论文发展一种用于界面接触状态评价的超声信号相似度分析方法。针对不同压力下承压界面超声检测信号,研究了激励信号带宽、相似度函数类型及分析域对相似度分析方法对界面接触状态评价的影响。结果表明,检测信号的相似度指标随压力增加呈现明显规律性。激励信号带宽、相似度函数类型和分析域对界面接触状态评价效果有很大的影响。宽带激励下的时域欧式距离指标对界面压力微变化最为敏感,可用于界面接触状态的定量评价。

基于均匀设计的磁混频硬度检测激励参数优化

在对铁磁材料进行磁混频检测时,高低频励磁场的激励参数直接关系到磁混频效应的强弱及检测灵敏度。针对铁磁材料硬度磁混频检测问题,利用均匀设计方法研究了励磁场参数对磁混频效应的影响。基于模糊理论,建立了包含变异系数和相关系数两个特征指标的混频效应模糊评价模型。在此基础上,通过回归分析,获得磁混频激励参数对混频效应的影响规律,并优化出获得较强磁混频效应的激励参数组合。优化结果表明,混频激励参数选择对磁混频效应有很大的影响,利用优化得到激励参数可以获得更强的混频效应,大大提高了混频检测的灵敏度。研究工作有力地推动了磁混频检测技术在无损检测领域的应用。

一种用于超声信号降噪的非凸变量重叠群稀疏变分方法

粗大晶粒产生的大量散射噪声而导致的超声检测信号信噪比低问题是粗晶结构超声检测面临的一大难题。针对现有稀疏降噪方法在波形失真和幅值衰减方面的不足,本文提出了一种基于非凸变量重叠群稀疏变分的超声信号降噪方法。基于含散射噪声的典型超声信号,分析了非凸变量重叠群稀疏变分方法的主要参数(如非凸变量函数类型、正则化参数和乘法因子等)对其降噪效果的影响,并确定了适合超声信号降噪处理的参数选择依据。在此基础上,将非凸变量重叠群稀疏变分方法应用于典型钢锭超声检测信号的降噪处理。结果表明,该方法能够很好剔除钢锭超声检测信号中的散射噪声,提高了钢锭超声全聚焦成像的信噪比6 dB以上,研究工作为粗晶材料超声检测作了有益探索。

Excitation and Detection of Shear Horizontal Waves with Electromagnetic Acoustic Transducers for Nondestructive Testing of Plates

The fundamental shear horizontal（SH0） wave has several unique features that are attractive for long-range nondestructive testing（NDT）. By a careful design of the geometric configuration, electromagnetic acoustic transducers（EMATs） have the capability to generate a wide range of guided wave modes, such as Lamb waves and shear-horizontal（SH） waves in plates. However, the performance of EMATs is influenced by their parameters. To evaluate the performance of periodic permanent magnet（PPM） EMATs, a distributed-line-source model is developed to calculate the angular acoustic field cross-section in the far-field. Numerical analysis is conducted to investigate the performance of such EMATs with different geometric parameters, such as period and number of magnet arrays, and inner and outer coil widths. Such parameters have a great influence on the directivity of the generated SH0 waves that arises mainly in the amplitude and width of both main and side lobes. According to the numerical analysis, these parameters are optimized to obtain better directivity. Optimized PPM EMATs are designed and used for NDT of strip plates. Experimental results show that the lateral boundary of the strip plate has no perceivable influence on SHO-wave propagation, thus validating their used in NDT. The proposed model predicts the radiation pattern ofPPM EMATs, and can be used for their parameter optimization.

复合绝缘子脱粘相邻电容检测技术研究

针对复合绝缘子安全运行需要,进行复合绝缘子脱粘缺陷相邻电容无损检测方法研究。通过数值仿真和实验,研究了相邻电容传感技术对多层介电结构脱粘缺陷检测的可行性及电极宽度和间距对相邻电容传感器检测能力的影响。结果表明,相邻电容传感技术可用于多层介电结构界面脱粘缺陷检测,且电极宽度和电极间距对其检测性能有影响,通过优选电极参数可以提高相邻电容检测技术的检测效率和分辨率。该研究工作为复合绝缘子芯棒脱粘检测提供了可行的技术方案。

基于声发射信号稀疏表示的铝合金板材拉伸过程识别方法

针对钣金成形过程质量监测的需要,提出一种基于声发射信号稀疏表示的铝合金板材拉伸过程自动识别方法。该方法对钣金拉伸过程监测的声发射信号进行非负矩阵分解,提取其在低维子空间映射的特征系数,用于构造训练字典和测试样本,并利用l1范数进行稀疏分解和信号重构,进而实现对拉伸过程中弹性、塑性、屈服、强化和颈缩5个不同应力-应变状态的自动识别。同时,研究了声发射信号的数据类型对不同应力-应变状态识别准确率的影响。结果表明,提出的基于声发射信号稀疏表示方法可以很好实现铝合金拉伸过程中5个不同应力-应变状态的识别,相较于快速傅里叶变换类型数据,利用短时傅里叶变换数据的识别准确率更高。研究工作为钣金成型质量监控提供了可行的解决方案。

高温管道热损伤共线混频非线性超声检测方法

面向电厂安全运行需要,开展了高温管道热损伤共线混频非线性超声检测方法研究。通过扫频实验,确定了显著混频效应的激励条件,并对4个不同热损伤程度的Super304H管材进行非线性超声检测实验。对检测信号进行双谱分析,研究和频分量的双谱值在相位区间的分布,确定了热损伤引起的非线性响应在相位区间上的分布范围。结果表明,依次提取的非线性声学系数与试件的热损伤程度呈现很好的相关性,可用于管道热损伤的表征。研究工作为电厂高温管道热损伤检测提供了可行方案。

奥氏体不锈钢小径管焊缝缺陷多模式超声复合全聚焦成像研究

奥氏体不锈钢广泛应用于重大装备的关键部件中,而焊缝是整个装备的薄弱部位。在考虑超声波的多路径和易发生波型转换的特性情况下,进行奥氏体不锈钢小径管焊缝多模式超声相控阵检测方法研究。通过数值仿真,对比分析4种不同直达波检测模式和8种不同底面一次反射波检测模式对小径管焊缝中典型缺陷的检出能力。基于优选出的一种直达波检测模式和一种底面一次反射波检测模式,发展了一种多模式复合全聚焦成像方法。在此基础上,进行奥氏体不锈钢小径管焊缝缺陷检测试验。结果表明,多模式复合全聚焦成像方法可以很好实现小径管中多种缺陷检测,与单一模式全聚焦成像相比,多模式复合全聚焦成像方法不仅可以提高成像的信噪比,且可以大大减小伪像的产生。项目研究工作为奥氏体不锈钢小径管焊缝检测提供了可行的技术方案。

基于压缩感知的金属加筋板兰姆波健康监测技术

针对大型复杂板结构安全评价需要,发展了一种基于压缩感知的金属加筋板结构兰姆波健康监测技术。利用压缩感知技术从稀疏阵列得到的少量检测数据中恢复出加筋板结构中兰姆波的频散特性,并提出了一种将余弦相似度和皮尔森相似度相结合的稀疏阵列兰姆波复合成像方法,以实现加筋板结构中大范围缺陷检测和成像。实验结果表明,压缩感知技术可以恢复出金属加筋板中兰姆波的频率-波数关系,提出的兰姆波复合成像方法能够实现金属加筋板中单缺陷和多缺陷的检测及定位。研究工作为复杂板结构损伤检测提供了一种可行的技术方案。