厚胶层复合材料弱粘接结构的超声反射特性

开展了复合材料粘接结构粘接质量的非接触式超声反射特性的仿真与实验研究。首先,建立了水浸环境下纤维增强复合材料(FRP)单层板时域仿真模型,数值分析了不同入射角度下声反射系数频率谱的变化规律,并与已有理论方法进行了对比验证。基于此,建立了含厚胶层的复合材料粘接结构反射特性时域仿真模型,分析了粘接界面弱化程度对超声反射系数频谱特征点的影响规律。基于水浸超声反射特性测量系统,实验萃取了完好粘接状态的FRP粘接结构的超声反射系数频谱,与仿真结果吻合良好。随后,制备了具有不同粘接界面状态特征的FRP粘接结构试样,从实验角度揭示了单/双粘接界面弱化状态与超声反射特性间规律性的偏移特征。基于不同粘接状态与超声反射特性间的规律性分布特征,可为厚胶层复合材料粘接结构的粘接质量评估提供新的研究思路。

双相多孔锂离子电池液/固界面的声反射与声透射

采用传递矩阵法,同步联立改进的Biot理论,对含液固界面的双相多孔锂离子电池的超声反射与透射系数进行理论求解。考虑锂离子的摇摆特性对电极力学性能的影响,计算了对应状态下液/固界面的双相多孔锂离子电池声反射及透射系数的角度谱与频率谱。同时,构建了不同荷电状态时含单元锂离子电池的频域仿真模型,以萃取对应的超声反射及透射角度谱及频率谱,并与理论计算结果对比吻合良好。随后,以多单元锂离子电池为例,在不同的荷电状态下,分析了反射与透射系数随斜入射角度、入射波频率的变化关系,并分别指出了其角度谱及频率谱特征点随荷电状态的变化特征,为锂离子电池运行状态的超声无损测量提供了理论基础。

管道电磁超声传感器阵列检测技术研究

采用电磁超声传感器阵列对管道进行缺陷检测,不仅能够提高电磁超声检测信号的信噪比、灵敏度与分辨能力,同时也能增强电磁超声检测的直观性与灵活性。本文详细阐述了基于洛伦兹力的周期永磁铁阵列式电磁超声传感器(PPM-EMAT)激励超声导波的工作原理,及利用全聚焦算法结合极性一致性算法对缺陷进行定位与成像的工作机理。建立了有限元仿真模型,验证了准T(0,1)模态导波在管道结构中的传播过程。利用研制的多通道电磁超声检测系统,对含缺陷的不锈钢管道进行了检测实验,实验结果表明,研制的系统能够检测出管道试样中的多个通孔缺陷,纵向定位误差可控制在1.5%以下,实现了基于阵列电磁超声传感器的管道缺陷成像与定位。

基于声弹性效应的螺栓轴向应力检测方法及系统

针对螺栓轴向应力的检测,开展了超声体波传播特性的理论与试验研究。基于声弹性效应,理论分析了轴向应力对螺栓的纵横波波速及长度的影响,同时提出了纵横波联合法数学模型,以实现螺栓轴向应力的准确性测量。设计了超声信号激励采集硬件电路,并开发相应的上位机软件,以此搭建螺栓组应力的超声检测系统。提取了M 24×100(螺纹直径×长度,mm)的10.9级碳钢螺栓的纵横波特征参数。结果表明,所选碳钢螺栓的应力测量值与实际应力值的平均误差小于5%,满足实际工况的使用需求。

正交各向异性板液/固界面的声反射与声透射

采用Legendre正交多项式法,对液/固界面声波反射和透射系数进行求解。利用Legendre正交多项式对正交各向异性板中的位移解进行展开,推导出板中的应力和波动控制方程。联立液/固界面的边界条件和波动控制方程,建立线性无关方程组,用以计算液/固界面的反射和透射系数及Legendre多项式的展开系数,计算所得铝板液/固界面的反射和透射系数与传递矩阵法的计算结果吻合良好。以单向纤维增强复合材料板为例,在不同的方位角下,分析了反射和透射系数随斜入射角度、入射波频率的变化关系,以及板中声场的位移分布。所取Legendre正交多项式截止阶数越大,可用来计算的频厚积范围越大。研究拓展了Legendre正交多项式法的适用范围,为材料力学性能的声学测量提供了理论基础。

基于矩形贴片天线的应变测量技术

为了研究基于矩形贴片天线的应变测量技术,根据传输线模型,分析了矩形贴片天线与应变间的作用机理,明确了天线辐射单元尺寸受应变影响,可导致贴片天线中心频率发生偏移,且获得了频率偏移量与应变间的线性关系理论表达式.设计3种不同中心频率的矩形贴片天线,利用高频结构模拟器(high frequency structure simulator,HFSS)电磁仿真软件和拉伸应变检测系统,对不同应变状态下,贴片天线中心频率随应变的变化趋势进行了仿真与实验测试.仿真和实验结果表明:贴片天线的中心频率的偏移量与应变之间线性关系明显,且贴片天线的中心频率越高,应变灵敏度越大.利用矩形贴片天线作为应变传感器,可满足结构应变测量要求,为结构健康无线监测研究奠定了基础.

基于声弹性效应的螺栓轴向应力检测方法

基于声弹性效应原理,研究了超声波在螺栓内的传播速度与轴向应力间的关系,并采用纵横波结合法测量螺栓轴向应力.在介绍声弹性效应测量螺栓轴向应力原理的基础上,选择型号为M30×150的8.8级碳钢螺栓进行实验研究,利用信号互相关算法实现了纵横波渡越时间的获取,得到了螺栓在不同应力状态下的螺栓应力弹性系数变化趋势,并提出了一种分段计算螺栓轴向应力的测量方法,结果表明计算应力值与理论应力值平均误差率仅为2.026%,提高了螺栓轴向应力的测量精度.

多层多孔锂离子电池结构的导波频散特征及其应用

采用状态矩阵与勒让德级数联合法,同步联立Biot理论,构建多层多孔锂离子电池声传播特性理论模型,以厚1.9 mm软包钴酸锂电池为例,数值分析了荷电状态(State of Charge,SOC)对多模态频散曲线的影响规律。同时,建立了电池中的声传播特性频域仿真模型,提取频域仿真中的超声导波频散曲线。此外,以体积小、柔性强的压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite,MFC)为基础,实验探究了不同SOC对锂离子电池中声学行为的影响。采用互相关分析获取电池放电过程中声波渡越时间的偏移规律,建立了1.9 mm软包钴酸锂电池的声学波动行为与电池SOC间的映射关系。

快速超声C扫描成像中的信号频域分析法及其应用

针对超声C扫描声波信号受噪声等外界因素干扰,使超声成像对被测试件细节展示不足的问题,以及快速扫查中信号处理高效性的要求,提出运用自回归(auto-regressive,AR)模型频谱外推法,提高超声C扫描图像的质量.相对于传统的信号处理方法,可以更加快速、有效地改善超声波信号的信噪比和时间方向的辨识度.AR频谱外推法通过设定频窗宽度,截取一段频谱作为初始值,用Burg算法计算AR模型参数,再经外推构建AR模型,得到递推频谱,最后利用反傅里叶变换得到递推后的时域波形.以处理仿真信号为例,讨论了频窗宽度和起始频率的选取对信号处理结果的影响.分析结果表明,使用AR频谱外推法,显著改善了超声波信号的信噪比和时间方向的辨识度,3~10 dB频窗范围内平均的结果优于其他固定频窗的处理结果.利用该方法对硬币表面及电子芯片成像实验数据进行处理,并对不同处理方法得到的C扫描图像进行对比,结果显示使用AR频谱外推法所得C扫描图像更加清晰、对比度更高、边界更分明,且成像过程耗时更少.研究结果将有效提高超声C扫描的成像质量及工作效率.

基于反射特性的碳纳米管吸波材料吸波性能检测方法

碳纳米管是隐身技术中的重要吸波材料,不同体积占比碳纳米管吸波材料吸波性能检测与评价是工程应用研究的热点问题.基于吸波材料中电磁波反射特性理论建模,提出利用反射系数表征碳纳米管吸波材料吸波性能的方法,利用等效电阻-电容网络模型,定量分析碳纳米管吸波材料的介电特性;利用层状介质传播模型,分析电磁波在金属衬底吸波介质中传播时的反射特性.不同厚度和体积占比的单壁碳纳米管/聚甲基丙烯酸乙酯吸波材料的反射特性仿真分析结果表明,碳纳米管吸波材料厚度大于1.4 mm时,材料开始具有吸波性,且随着碳纳米管体积占比与厚度的提高,反射系数的中心频率向低频方向偏移.当厚度为2 mm、体积占比为0.5%时,反射系数最小值为-19.07 dB,吸波效果最强;而当厚度为2.4 mm、体积占比为1%时,吸波频带最宽达到5.89 GHz.研究成果为不同体积占比的碳纳米管吸波材料制备与性能检测奠定了理论基础,具有一定的工程应用价值.

Wireless Strain Measurement Based on a Microstrip Patch Antenna

Wireless interrogation of a rectangular microstrip patch antenna for strain measurement is investigated by simulations.To analyze the antenna performance,a microstrip line-feeding patch antenna at 10 GHz is designed.A patch antenna wirelessly fed by a horn is proposed to measure the strain.The direction information of strain detected by the patch antenna is also considered.The strain can be detected both in the width and length directions.It is shown that the strain can be measured wirelessly using a standard horn antenna.This kind of wireless strain-sensing technique offers significant potential for wireless structural health monitoring(SHM),especially for high-end equipment.

基于超声透射特性的复合材料粘接结构粘接质量预测

以非接触式超声检测方法为基础,对复合材料粘接结构的粘接质量进行仿真与试验探究。首先,建立复合材料粘接结构的超声透射特性时域仿真模型,提取其频域透射系数谱,并着重分析界面弱化及内聚弱化对粘接结构中超声透射特性的影响规律。同时,仿真所得不同粘接状态的超声透射系数频谱与平面波理论的计算结果吻合良好。此外,制备具有不同粘接界面状态及胶层内聚弱化状态特征的纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer,FRP)粘接结构。基于水浸超声测量系统,试验探究不同粘接界面状态及内聚弱化状态对超声透射系数谱的影响,分析粘接结构中超声透射特性随其粘接质量的变化关系,并与仿真结果一致。此外,根据复合材料粘接结构中粘接质量与超声透射特性之间的映射关系,亦为复合材料粘接结构的无损表征与评价奠定了坚实基础。

风机主轴表面开口裂纹全聚焦成像技术研究

基于全聚焦成像技术,对风机主轴表面开口裂纹进行了成像检测和量化表征.建立了含表面开口裂纹的风机主轴阵列检测仿真模型,利用仿真数据和全聚焦算法进行了成像检测;基于圆形声源固体指向性函数,提出了双向补偿与极性一致因子加权的复合全聚焦成像算法,利用仿真数据对算法进行了验证.结果表明,改进的算法能够有效消除伪像,提高成像质量.对主轴试样上的裂纹进行了成像检测与量化,裂纹的轴向定位误差小于2%,深度量化误差小于8%.

预应力薄板材料液固界面声反射/透射系数的声弹效应表征新方法

针对材料性能参数受应力影响时,利用现有无应力状态下反射/透射系数求解方法,计算结果存在稳定性差和误差大等问题。基于声弹性理论,提出应力条件下反射/透射系数理论计算方法,应用于铝板的反射系数求解,结果与文献计算结果相吻合,表明方法正确、结果可靠。针对应力状态下各向同性单层板的反射/透射系数谱数值计算,基于相关系数分析不同应力对反射/透射系数的影响,研究结果表明,随着应力的增大,反射系数频谱和透射系数角度谱的相关系数幅值均逐渐减小,且与应力大小呈明显线性关系。研究成果为利用超声反射/透射系数表征材料应力状态提供了理论依据。

基于超声C扫描技术的形貌重构

利用块体试件超声C扫描缺陷层析成像数据,提出了一种基于面绘制的三维重构算法,实现C扫描缺陷数据的成像分析与表征。首先,对获取到四面C扫描声学信息进行数据截取和矩阵扩展使矩阵维度一致且仅包含缺陷回波信息,转换成含缺陷信息的B扫矩阵;然后,对四面新矩阵进行“或运算”和二维成像并进行膨胀处理,获取各层图像缺陷轮廓信息;最后,对各缺陷边界进行Bezier曲线拟合优化,并将各层轮廓逐层绘制,最终实现试件内部缺陷的形貌重构。计算结果表明该方法能够有效描述标准加工试件人工缺陷区域的三维特征,对超声C扫描图像的进一步表征与评价具有借鉴意义。