基于超声Lamb波的固井质量评价新技术与应用

为了解决传统的CBL/VDL声波测井、扇区水泥胶结测井以及超声脉冲回波测井均不能准确评价轻质水泥固井质量的难题,提高低密度轻质水泥固井质量评价的准确性,基于超声“脉冲-回波”检测原理,研制超声Lamb波固井质量评价测井仪,建立弯曲型Lamb波衰减率、垂直回波共振效率与套管外介质声阻抗之间的关系模型,构建固液气三相介质评价图版,结合轻质水泥刻度井测试,建立了基于超声Lamb波的固井质量评价新方法。该方法可有效评价低密度轻质水泥固井质量和检测确定水泥返高位置,解决了轻质水泥固井质量评价难题。应用表明,该技术为低密度轻质水泥固井质量检测与评价提供了新思路,同时超声Lamb波固井质量评价测井仪还可以实现套管居中度和套损检测评价,可为固井质量评价和井筒完整性检测提供依据,应用前景广阔。

超声Lamb波监测铝合金结构疲劳裂纹扩展实验研究

对应用超声Lamb波在线监测金属结构裂纹在疲劳载荷作用下的扩展进行了实验研究。制备了含中心裂纹的铝合金平板结构试件,并在试件表面布设了压电晶片传感网络。疲劳实验中,在观测裂纹扩展的同时,采用压电晶片分别进行Lamb波信号的激励和接收,监测驱动器与传感器间的疲劳裂纹扩展行为。通过时域信号处理提取了Lamb波信号峰值点的幅值(AMP)与传播时间(ToF)特征,由柯西隶属度函数定义了改进的信号健康度指标及相应的损伤指标,并评估了健康度指标和损伤指标随裂纹扩展的变化趋势。最后,结合损伤概率成像方法,融合Lamb波激励-接收路径的所有损伤指标,近似表征了裂纹长度的变化,验证了该方法的可行性和有效性。

高分辨率超声Lamb波频散曲线测量与板厚估计

超声Lamb波在工业无损检测与评价中具有广阔的应用前景。但受制于超声导波多模式频散与混叠的影响,如何实现高分辨率超声导波的模式分离与频散曲线提取,进而定量分析材料的健康状况一直是研究的热点与难点。本文旨在将现代信号处理中广泛采用的谱估计技术应用于超声Lamb波阵列信号分析,并通过提取频散曲线定量测量板厚度。以经典参数谱估计法中的Yule-Walker法与Burg法为例,实验测量和分析了3mm,4mm和5mm厚铝板中的宽带多模式Lamb波信号,准确地提取了铝板中的宽带Lamb波频散曲线,并比较了两种经典谱估计方法与二维傅氏变换法的性能,最终实现了铝板厚度估计。

超声Lamb波检测三维平板孔状缺陷的有限元模拟

通过数值计算求解Lamb波的频散特性方程,绘制钢板中Lamb波的频散特性曲线,分析不同模态Lamb波在钢板内的传播特性。基于ANSYS瞬态动力学分析方法,建立S0模态超声Lamb波检测钢板内孔状缺陷的有限元分析模型,通过群速度计算校核分析S0模态和SH0模态水平剪切波,得出其传播过程中振幅呈指数变化趋势。在孔状缺陷周围建立环形信号接收点,得到Lamb波作用缺陷后的散射特性和模态转化规律,散射波能量关于X轴对称分布,且随缺陷尺寸增加有增大趋势,透射波能量随缺陷尺寸增加而减小。

基于超声Lamb波的不同种类积冰厚度检测

针对静止状态下飞机蒙皮表面残冰检测问题,提出一种超声导波检测技术,通过提取时域和频域的特征参数变化,实现板状结构表面的透明冰、混合冰、霜冰3种类型区分和积冰厚度判断。首先通过ABAQUS仿真软件采集超声Lamb波S0模态信号,在时域内观察随厚度和类型变化引起的S0模态幅值衰减程度,同时在频域内引入积冰系数,最终实现了关于厚度和类型的非线性映射。其次,对使用Lamb波分辨3种不同类型积冰的厚度进行了实验验证,对比仿真结果表明该方法存在一定可行性。最后,总结了判断积冰种类和厚度的方法。

基于超声Lamb波技术的储罐底板缺陷检测

针对储油罐底板长期服役过程中罐底边缘板常发生腐蚀的情况,研发出一种超声Lamb波检测技术,开展了相关实验研究并设计了一套储罐检测自动化装置。对14mm大厚度钢板进行了仿真分析,计算出激发角度曲线,得出其A0模态Lamb波最佳激发角度为70°。设计加工了某2万m3成品油储罐底板1:1实验模型,并使用设计的UT350平板导波检测系统在该模型板上开展了实验,当激励信号频率为490kHz时检测结果最佳。实验结果表明Lamb波A0模态的低频脉冲信号能实现对大型钢板的缺陷检测,具有较好的缺陷识别能力。设计了一套能紧贴储油罐壁自动行走的储罐底板自动化检测装置,该装置可根据储罐边缘板自动调节传感器角度和压紧力,能根据检测效果调节行走速度。实现了对储罐底板缺陷连续、高效、稳定的在线检测过程。研究结果和设计装置实现了对储油罐底板缺陷检测,为储罐安全运行提供了保障。

应用于Lamb波的最小功率无畸变波束形成算法

在利用Lamb波进行板状结构损伤检测时,采用经典最小功率无畸变波束形成算法可以获得较高的损伤成像精度,但仍无法避免频散效应对成像精度的影响,且该算法存在谱矩阵求逆运算复杂、奇异谱矩阵无法求逆等缺陷,显著降低计算效率。为解决上述问题,本文提出了更适用于Lamb波检测的改进型最小功率无畸变波束形成算法。该算法在频域进行波束形成以解决频散对成像的影响,并结合最小二乘递推法与对角加载法来进行谱矩阵求逆,以提高计算效率。实验及仿真结果表明,该算法能有效去除频散对损伤成像结果的影响,从而有效地解决了传统波束形成算法的成像结果中存在伪影,且成像分辨率低的问题;同时解决了谱矩阵求逆困难的问题,使得计算时间显著缩减。

基于Lamb波的转向架焊缝裂纹检测技术研究

超声Lamb波对结构初期轻微损伤非常敏感,将该技术应用于列车转向架焊缝裂纹检测中,通过对列车走行部部署分布式Lamb波传感器网络,探究Lamb波激励信号、相关参数及去噪方法,对激励信号和接收信号进行相关分析,利用损伤指数进行损伤程度量化,利用贝叶斯理论进行损伤定位,实现列车智能结构安全运维保障。

基于时间反转的超声-概率成像算法的损伤定位研究

为了进行结构损伤的定位研究,该文提出一种改进的基于时间反转(TR)的超声-概率成像算法(TRPDI)。对贴于铝板表面的压电陶瓷片(PZT)施加电信号,使其产生能在铝板内部有较好传播性能的超声Lamb波,以Lamb波理论和时间反转理论为基础,对损伤指标进行优化,利用损伤成像算法分析试件损伤程度并确定损伤位置。采用3种不同的数据处理方式,获取信号中的有效成分,分别进行损伤的存在性判断和损伤的定位研究。试验证明基于时间反转的超声-概率成像算法能提高定位精度,在工程的损伤定位中具有较大的应用潜力。

复合材料结构健康主动监测中激励信号的优化

利用L am b波频散方程及其数值求解得到的频散曲线,对L am b波模式及激励信号中心频率范围进行预测。建立了试验测试系统,利用集成在复合材料层合板上的PZT压电陶瓷片作为驱动器和传感器,激励并接收结构中激发的L am b波信号。对具有不同函数形式、中心频率和波峰数的信号激励,结构中传播的L am b波模式进行试验研究,为激励信号的选择与优化提供依据。利用H ilbert-Huang变换及H ilbert谱提取传感器信号特征,提出了L am b波信号在结构中传播时的能量衰减率和损伤敏感度两个考察指标,并据此对激励信号进行优化。实验结果表明,优化后的激励信号在结构中能激发出单一模式的L am b波(S0模式),有效地抑制了多模式现象的出现。同时,激发出的L am b波具有最低的能量衰减和最高的损伤灵敏度,响应信号特征明显,便于损伤识别。

轨道车辆钩缓系统结构健康监测中的环境补偿

钩缓系统作为轨道交通车辆的重要部件,为保证车辆稳定运行,可通过超声结构健康监测来评估其健康状况及使用寿命。在工程应用中,超声Lamb波易受外界环境因素干扰导致超声信号发生较大波动,进而引发结构健康监测系统出现误判现象,严重影响在线监测结果的准确性。为了保证轨道交通车辆结构健康监测系统监测结果的稳定性与准确性,本文提出了一套适用于钩缓系统超声结构健康监测的环境补偿方案。在实验室环境下,利用加入了环境补偿方案的结构健康监测系统对钩缓系统进行了长期监测,在车钩健康状态及模拟损伤状态下的实验结果均表明该环境补偿方案能完全抑制系统内部的电气干扰信号和外界噪声对监测结果的影响,能有效降低监测结果对环境温度的依赖性。

基于频率调谐和相控阵的金属板损伤检测

基于兰姆(Lamb)波的无损检测方法已成为板类结构损伤检测的重要手段之一。然而,Lamb波的多模态与频散特性,使其在传播及信号处理方面有很大的复杂性。该文将Lamb波应用于线性相控阵损伤检测研究,采用频率调谐理论,获得频散效应弱的S_0波,对板状结构中裂纹型刻槽损伤,进行直观成像和精确定位。仿真与实验表明,频率调谐法可优选出弱频散的S_0模态用于损伤检测,结合线性相控阵列,可对损伤类型及方位做出判断,得到有效的损伤检测信息。