The Mathematical Modelling for Studying the Influence of the Initial Stresses and Relaxation Times on Reflection and Refraction Waves in Piezothermoelastic Half-Space

The present paper concentrates on the study of reflection and refraction phenomena of waves in pyroelectric and piezo-electric media under initial stresses and two relaxation times influence by apply suitable conditions. The generalized theories of linear piezo-thermoelasticity have been employed to investigate the problem. In two-dimensional model of transversely isotropic piezothermoelastic medium, there are four types of plane waves quasi-longitudinal (qP), quasi-transverse (qSV), thermal wave (T-mode), and potential electric waves (φ-mode) The amplitude ratios of reflection and refraction waves have been obtained. Finally, the results in each case are presented graphically.

45号钢腐蚀程度的超声非线性检测实验研究

腐蚀会显著降低金属零件的使用性能,检测金属零件的腐蚀程度对确保其安全使用具有重要意义。超声非线性技术已被应用于检测材料微损伤、残余应力和黏结状态等方面,其能否用于检测腐蚀程度倍受关注。本文搭建了基于超声非线性技术的临界折射纵波(criticalrefraction longitudinal wave,简称LCR波)混频检测系统,检测不同腐蚀程度的45号钢试件的非线性系数,随后根据超声非线性效应的机理结合材料的微观形貌对差频非线性系数的变化原因进行分析。实验结果表明:差频非线性系数对材料腐蚀程度十分敏感,随着45号钢试件腐蚀程度增加,差频非线性系数随之增加。超声非线性技术可以有效地实现对金属材料腐蚀程度的表征。

基于临界折射纵波法的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测

盆式绝缘子是GIS的关键绝缘器件,与两侧气室法兰通过螺栓进行紧固连接,当螺栓松动时会导致盆式绝缘子应力分布不均,从而影响GIS运行的安全性和稳定性。文中提出了一种基于超声临界折射纵波(L_(CR))的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测方法,根据L_(CR)波在盆式绝缘子法兰表面的传播声时差来反映螺栓松动情况。结果表明,当相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓之间的法兰表面声时差变化最大,且变化量大于24 ns;当不相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓正对的法兰表面声时差变化最大,且声时差变化量大于10 ns,并且螺栓松动程度越大,超声传播声时差变化量越大。该检测方法可实现对盆式绝缘子法兰螺栓松动的检测,判断螺栓松动数量及位置,具有一定的工程实用价值。

基于有限元模拟的超声应力系数标定及分析

应力系数的标定作为超声应力检测最为关键的环节,决定应力检测的精度。应力系数的传统试验标定对于被测物表面粗糙度、耦合剂厚度、声匹配块与被测物接触力等检测因素十分敏感。加之各影响因素之间的耦合作用,使得精确标定出应力系数愈加困难。文章提出把应力系数分为反映材料声弹性效应的基本值和考虑各类检测因素的影响值两部分,可能是当前较为实用的办法。基于有限元软件建立多物理场耦合的超声应力检测模型,施加不同的拉伸载荷,分析临界折射纵波到达时间与不同应力值之间的关系。结果表明:模拟标定45#钢的超声应力系数基本值为13.7 MPa/ns。同时通过4组单轴水平拉伸试验标定出检测因素影响值分别为1.0 MPa/ns、1.7 MPa/ns、2.8 MPa/ns和6.8 MPa/ns。在合理情况下,应力系数基本值直接决定应力系数的大小,检测因素对应力系数值的影响应该较小。检测因素影响值6.8 MPa/ns达到应力系数基本值13.7MPa/ns的49.6%,超出合理范围,观察发现这是声匹配块与被测面耦合后尚存在局部微小间隙的结果,可判定为无效数据。有限元模型在理想检测条件下模拟获得应力系数基本值,通过比较应力系数基本值和检测因素影响值,可以判断检测质量的优劣,减小应力系数标定数据的离散性,提高超声应力检测结果的可信度。

磨削烧伤对超声波声速变化影响的实验研究

磨削烧伤会显著影响零件的使用性能,检测磨削烧伤对确保零件安全使用具有重要意义。超声波声速已被应用于检测金属晶粒尺寸、残余应力和金属热处理状态等方面,其能否用于检测磨削烧伤程度倍受关注。本文搭建了临界折射纵波(critical refraction longitudinal wave,简称LCR波)声速检测系统,对不同磨削烧伤程度的45#钢试件进行超声波声速测量,实验结果表明:超声波声速对磨削烧伤不敏感,对于不同烧伤程度的45#钢试件,超声波声速仅有较小变化。根据材料金相组织、残余应力、晶粒大小等因素对超声波声速影响机理进行分析,由于各影响因素对超声波声速变化具有综合影响,超声波声速不随不同烧伤程度敏感变化,不能灵敏地检测磨削烧伤。

大空间隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法

大空间地下隧道结构的地震反应特点主要包括两方面:地震波传播方向通常不垂直于结构纵轴,沿纵轴方向结构各点在同一时刻的地震反应并不相同;结构的剪切变形随着横截面尺寸的增大而更加显著。然而,现有的大型地下结构地震反应分析拟静力方法多为针对地震动垂直入射条件下结构横断面地震反应分析的二维方法,难以计算隧道等长线型结构的纵向地震反应;而基于弯曲梁理论提出的纵向整体式反应位移法,虽能完成非一致地震动输入下隧道结构纵向最不利地震反应计算,但无法合理描述结构的剪切变形特点。该文基于大空间隧道结构纵向地震反应的规律和特点,结合铁木辛柯梁理论,确定了通过自由场地震反应获得大空间隧道结构纵向地震反应最不利时刻的方法,发展了适用于大空间隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法,并通过数值算例对该方法的有效性和计算精度进行了验证。

考虑区域影响的焊接残余应力超声法试验研究

为提高超声法检测焊接残余应力的准确性,对母材区、热影响区和熔融区的声弹性系数进行标定。基于声弹性系数标定值和零应力基准,修正Q345qD焊接钢板残余应力检测结果,并采用盲孔法对超声法检测结果进行验证。试验结果表明:母材区、热影响区和熔融区的声弹性系数存在较大差异;通过对热影响区域进行声弹性系数及零应力基准修正,可减少该区域的高估应力值;盲孔法和超声法测量结果趋势相同,数值接近,验证了超声法检测焊接残余应力结果的准确性。

基于临界折射纵波的声时差-表面应力关系获取方法研究

机床关键零部件应力的存在会加剧其摩擦磨损,严重影响机床的加工精度和使用寿命,对结构表面应力的检测显得十分重要。文章探究了超声临界折射纵波的检测原理,分析各个因素对声时差反射系数的影响规律;根据被测件材料参数设计了楔形块的角度;设计加工了10个标准实验件,通过拉伸试验机和超声检测装置分别测得10个试件的声时差反射系数;分析声时差系数不同的原因,为基于超声波检测表面应力提供了理论与方法支持。

一种新型电光晶体半波电压测量方法研究

本文通过分析晶体电光效应及折射率随电场变化规律,建立了电光调制数学模型并提出一种新的半波电压测量方法。该方法基于晶体两端所加电压幅值与系统输出波形之间数学模型,通过确定输出波形失真临界点推演晶体半波电压。为优化系统,分析了半波电压附近输出波形特性及光源、电源和时间分辨率与系统误差之间的关系并提出了两种优化方案——时间分辨率优化及对称优化。时间分辨率优化的方式通过放大单个波形细节可降低数据离散程度及误差。对称优化则是利用半波电压附近对应波形极值点对称特性,通过多次采样取平均或中值的方法降低误差。结果表明,临界值法是一种结构简单且有效的测量半波电压的方法,其优化方案在降低数据波动及误差方面效果良好。

钢结构临界折射纵波超声波法应力检测方法研究

对于钢结构而言,钢构件内部初始应力幅值是影响结构安全的重要指标。目前,应变计测量等传统应力检测方法难以满足钢构件初始应力、内部应力快速、无损检测的相关要求。针对上述问题,对超声波检测钢构件初始应力的方法进行了理论研究与实测验证,主要研究内容为:对采用临界折射纵波为应力检测波型进行了理论推导;采用超声波检测方法对钢结构进行了应力检测,实测结果证实超声波检测方法具有较高的可靠性;最后,考虑到所选用检测方法中应力-声时差系数的重要性,对于探头位置以及声程等因素可能产生的影响进行了分析。研究结果表明,本文方法具有较好的准确性与可操作性。

一种便携高精度超声应力设备及焊缝残余应力研究

相比于XRD、盲孔法、磁弹性法,采用超声法对在役压力容器、钢结构件的残余应力、在线应力进行检测具有明显优势,但现有超声应力设备普遍稳定性不高、便携性差。文章介绍了一种自主研发的基于WiFi通信的高精度便携分体式超声应力检测设备,其硬件包括超声采集模块、超声探头、microPC上位机,软件包括设置、信号采集、信号优化、应力求解及标定等模块,并可通过快拆式通用滑动电池组供电。同时研究了Q235焊板平行和垂直焊缝方向的不同位置焊接残余应力。研究结果表明:平行焊缝方向残余应力保持稳定,且距离焊缝位置增大,残余应力减小;焊前预热可以降低残余应力;垂直焊缝残余应力小于平行焊缝残余应力值,其应力值等于检测位置平行焊缝残余应力值的平均值。

四通道差分式超声应力检测仪的设计与实现

金属构件在加工和服役过程中产生的残余应力会使其产生形变或应力疲劳,严重危害关键结构的安全性。现有超声应力检测技术存在温度耦合效应大且无法检测不同深度应力等问题,基于临界折射纵波的声弹性原理,设计并研制了四通道差分式超声应力检测仪。该仪器基于现场可编程门阵列(FPGA)设计,由超声发射电路、接收电路、信号处理电路和操作软件等部分组成。配合定制的组合式超声激励探头与双宽带接收探头,可以实现4个不同频率的超声临界折射纵波应力同步测量,有效地避免了温度耦合和不同频率探头声学耦合的问题。通过标准拉伸试验对铝合金和钛合金试样进行了应力测量,表明该仪器可以满足四通道应力测量。

基于声弹性变形构型提出的LCR波仿真简化方法

介绍了依据超声应力检测设计的简化仿真方法,基于COMSOL固体力学模块模拟了临界折射纵波的传播,并提出了一种新的仿真构型。通过对有限元模型的三种不同载荷施加方法:无应力时进行超声激励、有应力时进行超声激励、有应力时不进行超声激励,以获取三组数据,从而得到不同应力变化量下临界折射纵波传播的声时差。实验所得数据中,拟合直线的决定系数R^(2)=0.99914,表明模型的声时差与应力变化量非常接近线性关系,与理论一致,验证了实验构型的准确性。该方法能够大大降低计算量,从而提高效率。此外,该构型还可用于进一步探究超声应力检测影响因素、临界折射纵波的产生等方面研究,比如变化材料参数、厚度等条件,为检测工艺的制定提供指导。

隧道纵向地震反应分析的整体式反应位移法

对于非一致地震动作用下隧道纵向地震反应问题,采用地下结构横断面地震反应的整体式反应位移法的基本原理,给出了一种根据自由场地震反应确定隧道纵向反应最不利变形和最不利内力发生时刻,即最不利时刻的确定方法,提出了适用于地下隧道结构纵向地震反应分析的整体式反应位移法。该方法通过自由场静力分析模型,根据隧道埋深位置处的自由场最不利变形确定等效地震作用,通过隧道结构-地基整体模型的静力计算获得隧道结构的最不利地震反应。以北京某地铁区间盾构隧道结构为研究对象,分别采用纵向整体式反应位移法和动力时程分析方法进行了出平面剪切波入射下隧道结构纵向地震反应计算,并将二者的计算结果进行了对比与分析。结果表明,该文提出的纵向整体式反应位移法概念明确、过程简便,具有良好的计算精度,可用于非一致地震动输入下隧道等长线型地下结构的抗震分析。

超声测量非均匀应力场及应力梯度的研究

利用临界折射纵波对高强度7050-T7451铝合金预拉伸板中的不同位置的应力进行了测量,并对1MHz和5MHz频率的临界折射纵波在含有应力梯度材料中的传播规律进行了研究。结果表明:临界折射纵波的速度与材料中的应力具有较好的线性关系,能够用来对应力大小进行无损评价。温度和耦合条件是影响超声法应力测量的主要因素。温度不变时,不同部位的实测误差小于40MPa,在测量较高应力时,这一误差可以忽略不计。非均匀应力场的测量结果与实际应力分布基本一致。在含有应力梯度的材料中,1MHz临界折射纵波的速度变化大于5MHz临界折射纵波的变化,这说明不同频率的临界折射纵波能反映不同深度的应力。利用这一规律,将可能对材料中沿深度方向变化的近表面应力梯度进行超声无损评价。

超声临界折射纵波测量应力的温度影响

超声临界折射纵波(LCR波)法是无损检测工作状态下结构应力的有效方法。超声LCR波法是敏感测量方法,温度直接影响超声波的传播速度,也会引起超声换能器的尺寸变化。根据超声波测量应力的基础理论-声弹性理论,分析声弹性系数和零应力下飞行时间与温度的定量关系,得到超声波测量应力的温度补偿公式,通过试验测量不同温度下超声LCR波飞行时间。结果表明温度对超声LCR波测量应力的影响归结于温度对超声LCR波传播声程的影响,温度越高超声LCR波传播的有效声程越长;设计的一发两收超声换能器可有效地消除声楔块和耦合剂的影响,将温度的影响程度降低至10%,可显著提高测量精度和稳定性;试验测量与理论计算得到的飞行时间与温度关系有着良好的一致性,充分验证了补偿公式的准确性。

基于电磁加载的铝板应力超声检测

针对低应力条件下超声检测方法空间分辨率与检测精度相互制约的问题,提出了基于电磁加载的超声应力检测方案。通过对金属板进行电磁加载,将电磁应力与板内应力相叠加,间接增强声弹性效应,在保证应力测量精度的前提下缩短超声测量声程,使得应力检测的空间分辨率得以提高。设计了用于金属板材的电磁加载装置及配套的脉冲激励电源,基于有限元仿真分析了电磁加载系统对铝板的应力加载效果。搭建了铝板电磁加载实验平台,通过对比传统方法与电磁加载下超声应力检测的结果,验证了方案的可行性。

轧辊表面残余应力测试方法的对比试验研究

轧辊体积大且辊面状态又不好,尤其是热轧辊的表面常有氧化膜和微裂纹,在测量时又不能损伤轧辊表面,因此,轧辊残余应力的测量较困难。为验证临界折射纵波法测轧辊表面残余应力的准确性,用超声波法、X射线法和盲孔法对同一试件进行了应力测量。对这3种测量方法所测得的结果进行比较后,评价超声波法的可靠性和有效性。试验结果显示:临界折射纵波法测试的应力值与X射线衍射法和盲孔法测试的结果具有较好的一致性。

基于电磁加载的铝板残余应力在线检测方法研究

基于临界折射(longitudinal critically refracted,LCR波)纵波的声弹性效应原理,可以对金属内部残余应力实现无损测量,具有广阔的应用前景。然而,金属材料的组织状态结构与在役环境对临界折射纵波的传播机制及声弹性响应特性影响较大,导致在工程实际中金属残余应力的在役检测精度较低。针对该问题,提出采用电磁加载装置对金属板分别在线施以电磁拉力和电磁压力,对金属声弹性系数进行在线测量。基于LCR波速与应力之间的对应关系,同时考虑电磁力作用下的铝板弹性形变,推导金属声弹性系数和残余应力的在线计算方程,进而给出基于电磁加载的金属声弹性系数和残余应力的在线检测方法。通过对铝板进行电磁加载试验,实现对声弹性系数和残余应力的在线检测,实验测得的应力误差值约为4.8%,验证了残余应力在线检测方法的可行性。

L_(CR)波应力检测中互相关时延估计的误差分析

根据声弹性理论,将应力检测转化为超声波的传播时延估计,建立基于互相关时延估计的临界折射纵波(LCR波)应力检测系统。LCR波在发射、传播及接收过程中存在各种影响因素,这些因素导致接收到的LCR波波形及信噪比发生了较大变化。通过克拉美罗下界(CRLB)理论得到这些变化是限制时延估计精度的根本因素。利用MATLAB进行仿真验证,得到了不同的影响因素对时延估计精度的影响不同。