扭转导波在锚固锚杆中传播的数值模拟

采用有限元数值模拟的方法研究了扭转导波在锚固锚杆中的传播性质。建立了自由锚杆和锚固锚杆的有限元模型,在锚杆顶端激发20～60 kHz扭转导波信号,计算得到导波在自由锚杆和锚杆锚固段的传播速度值与理论值吻合很好,证明了扭转导波数值模拟方法的有效性。数值模拟结果表明:随着激发波频率的增大,扭转导波在自由锚杆和锚杆锚固段中的衰减值均呈线性递增趋势,导波在锚杆锚固段上界面的反射回波逐渐减弱;扭转导波在锚杆锚固段的衰减值较大,无法在锚杆顶端采集到锚杆底端反射回波信号,所以扭转导波不适用于锚杆长度的检测;随着锚固介质弹性模量的增大,同一频率扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射波逐渐增强。通过检测扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射回波,可以确定锚固介质弹性模量的大小。

注浆锚杆中扭转导波的传播特性

理论研究了扭转导波在注浆锚杆中的传播特性。首先建立了注浆锚杆两层复合结构中的扭转导波的频散方程,之后数值计算得到了扭转导波的能量速度、衰减频散曲线及导波在注浆锚杆中的位移分布情况。结果表明,（1）500 kHz 范围内,注浆锚杆中具有三种扭转导波模态 T（0,1）T（0,3）,三种模态均具有频散性。随着频率逐渐增大,导波的能量速度逐渐增大,而衰减值逐渐减小。（2）50 kHz 和200 kHz 的 T（0,1）模态扭转导波在锚杆体内的周向位移值较大,所以对锚杆体表面的轴向缺陷敏感,而导波在锚杆与注浆体接触面上的周向位移较大,从锚杆泄漏至注浆体中的能量较大,导波衰减较严重。（3）频率高于100 kHz,锚杆直径的变化对 T（0,1）模态的能量速度几乎无影响,而频率低于100 kHz,注浆体弹性模量越大,T（0,1）模态的能量速度越小。

基于扭转导波T(0,1)的埋地管道长距离结构健康监测

针对不同变形模式压电换能器激发与接收管道中基频扭转导波T(0,1)的特点,设计了一种一发一收式T(0,1)波压电环形阵列。其中,厚度剪切d15模式的压电圆环用于T(0,1)波的激发,面内剪切d24模式的压电圆环用于T(0,1)波的接收。试验验证了这种换能器激发T(0,1)波的信噪比和T(0,1)波在埋地管道中的衰减。结果表明,该换能器对不同涂层埋地管道的探测距离超过20m,在埋地管道的长距离结构健康监测中具有很好的应用前景。

基于反转威德曼效应的管道扭转导波监测换能器设计

针对预磁化式磁致伸缩扭转导波换能器换能效率低、磁致伸缩材料消磁导致无法长期监测的不足,文中基于反转威德曼效应设计了一种永磁式磁致伸缩扭转导波换能器,适用于长距离管道健康监测。首先,阐述磁致伸缩扭转导波换能器换能机理,提出管道周向永磁阵列和柔性曲折线圈换能器结构。然后,使用COMSOL Multiphysics软件对换能器偏置磁场进行仿真,研究永磁铁对偏置磁场的影响,并确定永磁铁阵列参数。最后,在管道中激励扭转导波,实验研究磁致伸缩贴片宽度对换能器频率响应特性的影响。实验结果表明:设计的换能器能够在管道中激励纯净的T(0,1)模态导波,通过调整磁致伸缩贴片宽度,能够改变换能器中心频率。

磁致伸缩扭转导波在纤维增强塑料锚杆中的应用

针对电磁超声信号信噪比低、回波特征不明显的问题,本文对磁致伸缩扭转导波特性进行了分析,扭转导波非频散适合信号处理,且在传播过程中能量衰减较小。利用ANSYS有限元仿真软件分析了扭转导播在纤维增强塑料(FRP)锚杆内的位移、功率流特性;搭建了物理实验平台,在FRP锚杆内激励和接收磁致伸缩扭转导波信号,对采集到的回波信号进行CEEMD-LMS算法滤波;实验数据验证了数值分析结果的有效性。结果表明:磁致伸缩扭转导波在FRP锚杆内的传播功率趋向于表面,适用于FRP锚杆表面缺陷检测;经CEEMD-LMS滤波算法处理后的磁致伸缩导波信号信噪比得到提升;磁致伸缩扭转导波技术可对有周向缺陷的FRP锚杆长度、缺陷位置进行识别。

小口径管扭转模态导波在线检测

采用扭转模态导波T(0,1)开展了小口径管在线检测研究。考虑管线服役环境及其结构特征,研制了一种适用于小口径管线在线检测的新型传感器阵列。传感器采用剪切型压陶瓷晶片作为敏感元件,具有柔性、轻质的特点。实验表明,环向布置的传感器阵列能够在管线中高效激励T(0,1)模态导波;通过提取回波信号中的各模态导波信息,实验系统能有效辨识管线中缺陷的状态变化;对于含有支撑结构的小口径管,比较并分析管线中导波散射信号及特征结构处回波信号的变化有助于辨识支撑结构附近区域损伤的产生及扩展。

交叉线圈式磁致伸缩导波传感器结构参数优化

为了使交叉线圈式磁致伸缩扭转导波传感器中高饱和磁致伸缩带的振动通过耦合剂和环形线圈传递到待测构件,优化其结构参数以提高传感器的耦合效率,基于交叉线圈式磁致伸缩扭转导波传感器的传感原理,针对环形线圈线径和覆盖率这两个结构参数,从振动耦合机制出发分析了环形线圈结构参数对能量耦合的影响,提出了一种用于环形线圈结构参数设计的优化方法,最后通过实验验证了该优化方法的可行性.将通过该方法优化后的最佳线圈线径和最佳覆盖率运用到传感器中,传感器换能效率提高了28%.