基于同步提取变换的钢轨踏面裂纹电磁超声表面SH波B扫成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下,极易产生滚动接触疲劳裂纹,并从轨头向下扩展,甚至导致断轨等重大安全事故,因此开展钢轨踏面裂纹高效准确的无损检测方法研究具有重要意义。对于钢轨轨头有限截面非规则几何体,无法采用解析法求解其频散曲线,采用Floquet-Bloch边界的有限元特征频率法,求解钢轨轨头类水平剪切导波频散曲线,在频散曲线的基础上,分析并确定电磁超声表面水平剪切波换能器的最佳检测频率。建立表面水平剪切波在含踏面裂纹钢轨轨头的传播有限元模型,研究表面水平剪切波在不同角度、深度的踏面裂纹上的反射及透射规律。为实现快速的钢轨踏面裂纹B扫成像检测且得到高信噪比的检测结果,实验对比同步提取变换和同步压缩变换对钢轨踏面检测回波的噪声滤除能力。结果表明:对单次检测回波应用同步提取变换消噪处理后,信噪比提高13.73 dB,比单次采集信号经同步压缩变换处理后的信噪比高4 dB。将同步提取变换用于钢轨踏面导波B扫成像检测,可以减小同步平均次数以满足快速检测的要求。

多层螺旋线圈电磁超声换能器优化设计及其实验研究

建立多层螺旋线圈电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激励过程的有限元模型,基于正交试验表,研究线圈导线直径、相邻导线间距、线圈层数、多层线圈距离、永磁体尺寸、永磁体与线圈的距离等因素对EMAT换能效率和横波纯度的影响,给出EMAT的最佳参数组合,并进行实验验证;通过测量多层螺旋线圈串联和并联的等效阻抗,根据EMAT激励等效电路,结合实验和仿真结果,分析线圈串并联方式和线圈层数对换能效率的影响。研究结果表明,在EMAT激励电路输出电压恒定的条件下,EMAT换能效率随着串联线圈层数的增多而明显下降;与串联方式相比,多层线圈并联的EMAT接收信号幅值下降趋势不明显。

高温铸锻件内部温度场电磁超声重构方法研究

针对高温严苛条件下铸锻件内部温度场非接触测量困难这一问题,提出了基于弯曲效应和三角形前向展开法的高温铸锻件温度场非接触电磁超声斜入射横波重构方法。结合数值仿真和730℃电磁超声检测实验,对直入射横波的三角形追踪数学模型进行了验证,并研究了声束入射角、温度梯度对斜入射横波的传播路径和渡越时间的影响,比较了不同入射角的斜入射横波的温度灵敏度系数。结果表明:基于三角形前向展开法的高温锻件温度场直入射横波重建误差在3%以内。当采用斜入射横波时,声线传播路径受温度梯度、入射角度的影响较大,且对温度梯度的变化更加敏感,无论使用横波渡越时间还是横波出射点位置偏移量均可重构高温铸锻件的内部温度场。

脉冲压缩在钢板腐蚀电磁超声SH导波检测中的应用

将Barker码脉冲压缩技术应用于水平剪切(SH)导波电磁超声换能器(EMAT),对提高在役钢板腐蚀检测回波的信噪比(SNR)和空间分辨率,以及实现大范围在线快速扫查具有重要的工程应用价值。建立基于Barker码信号激励的钢板SH导波传播有限元模型,结合实验分析与数值计算,分析了Barker码序列长度、码元长度、EMAT设计参数、提离等因素对脉冲压缩后缺陷回波的信噪比和波包宽度的影响,并与传统单一频率脉冲串激励方式进行对比实验。结果表明:与单一频率脉冲串激励方式相比,采用Barker码脉冲压缩技术,可以将缺陷波的SNR提高5.8 dB;当EMAT提离为3.0 mm时,经过脉冲压缩后的缺陷回波SNR>8.7 dB,而采用单一频率脉冲串激励方式对应的SNR接近于0 dB;当Barker码信号序列长度为13位、码元长度为15μs时,能检测深度为1 mm、直径为20 mm的圆孔,且SNR>25.4 dB。

钢轨踏面裂纹电磁超声表面波同步挤压小波快速成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下会产生滚动接触疲劳裂纹。钢轨踏面裂纹是典型的滚动接触疲劳裂纹,该类裂纹容易从轨头往下发展导致钢轨断裂,对行车安全造成重大隐患。首先采用有限元数值方法分析超声表面波与钢轨踏面裂纹的作用规律,研究了低频超声表面波在不同倾角、不同深度踏面裂纹上的散射特性及反射回波时域信号响应特点。其次,设计制作了中心频率为0.3 MHz的表面波电磁超声换能器(EMAT),对钢轨踏面斜裂纹进行B扫成像检测,以更好地识别显示裂纹。为克服EMAT提离对信号回波的影响以及适应快速巡查检测,对裂纹反射回波采用同步挤压小波变换(SWT)进行去噪和重建,实现了B扫快速成像。研究结果表明,所设计的表面波EMAT能够有效地检测钢轨踏面上的多个裂纹,采用同步挤压小波变换处理回波信号后,超声回波信噪比至少提高8.83 dB,可显著提高B扫成像清晰度和检测速度。

基于编码压缩的钢板电磁超声Lamb波检测方法研究

针对大型金属板材构件导波检测中EMAT分辨率低、SNR差,难以用于小裂纹检测等难题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的Lamb波EMAT检测过程多物理场有限元模型,以含预制裂纹的5.6 mm厚钢板为检测对象,仿真和实验相结合,研究了永磁体宽度和高度、曲折线圈匝数、Barker码序列长度和码元长度等参数对EMAT检测回波的影响,验证了脉冲压缩技术在Lamb波EMAT检测中的有益效果。结果表明,基于脉冲压缩技术的EMAT经优化后,SNR比传统tone-burst激励方式高出了9.69 dB,可检出10 mm长和0.5 mm深的小裂纹,缺陷波SNR为23.47 dB。当Barker码码元中心频率为1 MHz时,脉冲压缩后的Lamb波包发生模态分离,但A_(0)模态的缺陷波SNR仍可达35.23 dB,这对提升Lamb波EMAT检测能力具有重要的工程应用价值。

曲面构件斜入射SV波EMAT辐射声场特性分析

为了解决曲面构件的凹凸检测面的曲率半径对斜入射垂直剪切波(SV波)电磁超声换能器(EMAT)的缺陷检测分辨率/灵敏度和定位/定量偏差影响这一问题,建立了基于圆弧曲面(凹面和凸面)检测面的斜入射SV波EMAT辐射声场有限元模型,研究了曲折线圈匝数、弧面曲率对斜入射SV波的主瓣峰值、主瓣宽度、主旁瓣比和入射角的影响,并对仿真结果进行实验验证。结果表明,当曲折线圈匝数相同时,凸面检测面的SV波幅值相比于平面检测面提高34.8%以上,主瓣宽度减小43.8%;当曲折线圈匝数由10匝增至30匝时,凸面检测面的SV波幅值提高42.3%,主瓣宽度减小43.6%;凸面检测面的SV波声场特性均优于平面和凹面;曲面曲率半径对斜入射SV波主瓣峰值、主瓣宽度和主旁瓣比有显著影响。

基于脉冲压缩技术的金属锻件缺陷跑道线圈EMAT检测方法研究

针对电磁超声换能器(EMAT)在高温、大提离、表面粗糙等恶劣环境下对枝晶粗大的铸锻件进行快速、在线检测时,超声回波的信噪比低和空间分辨力差等难题,建立了基于chirp信号激励的跑道线圈EMAT检测过程的有限元模型,采用正交试验表,分析了EMAT设计参数、chirp信号带宽和脉宽等因素对检测回波脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取了主瓣峰值\\主瓣宽度最佳的EMAT参数组合,并通过实验加以验证。比较了0.5 MHz猝发音激励信号在不同同步平均次数条件下,以及chirp脉冲压缩在不同提离且无同步平均条件下对Φ4平底孔的检测能力。结果表明:采用chirp脉冲压缩技术在无同步平均条件下,Φ4平底孔的检测回波信噪比较128次同步平均的猝发音脉冲信号提高了6.6 dB;在EMAT提离为3.5 mm且无同步平均条件下,Φ4平底孔的脉冲压缩后回波信噪比可达8.0 dB。

超声相控阵系统中高精度相控发射和相控信号并行处理的实现

为了实现超声相控阵系统中换能器各阵元发射和接收相位的精确控制以及多路相控回波信号的实时处理,提出了一种基于FPGA的高精度相控发射和相控信号并行处理的实现方式。分析结果表明,拥有高速计数器以及丰富高速I/O引脚和DSP硬核资源的FPGA,特别适合相控阵系统的实现;采用FPGA中的高速计数器来实现高精度相控发射,可获得高达2ns的延时精度,采用FPGA中的高速I/O引脚以及DSP硬核资源,可实现16路回波信号的全并行信号处理,并且可以利用首先2 ns插值、然后10 ns延时补偿的方法来实现高精度相控接收。实测结果表明,该实现方式可以较好地对钢管的缺陷进行实时和清晰的扫描成像。

碳纤维增强树脂基复合材料气瓶电磁超声在线监测方法及失效机制

氢能具有来源广泛、清洁无碳等优点,随着氢能源的广泛应用,氢能储运逐渐成为研究热点。目前,国家大力发展的碳纤维增强树脂基复合材料气瓶已被广泛应用于氢能储运领域,然而气瓶在使用和运输过程中,容易出现纤维断裂、划伤,严重影响使用安全,故亟需发展碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术。针对复合材料气瓶的纤维断裂、划伤缺陷在长期、多次充放气过程中发生扩展的问题,采用电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)在线监测方法,并结合90TJ3-140 MPa水压疲劳系统,分别采用超声导波反射式和透射式方法,分析了纤维损伤对导波幅值的影响,并研究了含纤维损伤的气瓶在不同疲劳状态下的导波信号特征的变化规律。结果表明:纤维损伤会降低透射波幅值,且幅值减少量由纤维损伤程度决定;随着气瓶内压的增加,超声导波的声速和中心频率逐渐减小;长20 mm、宽0.5 mm和深1 mm的裂纹对应的缺陷波幅值呈先增大后减小的趋势,经过110 MPa、80次循环后,缺陷波幅值由19.33 mV减小至8.02 mV,声速减小了6.6%,中心频率从0.24 MHz减小至0.17 MHz,纤维完全分层;针对长20 mm、宽0.5 mm和深0.5 mm的裂纹,当气瓶内压由0 MPa增加至105 MPa时,直达波幅值由80.17 mV减小至20.08 mV,降低了75%;采用的电磁超声技术能够很好地解决碳纤维增强树脂基复合材料气瓶在线监测技术难题。

基于脉冲压缩技术的高温连铸坯壳厚度测量EMAT设计及应用

采用非接触电磁超声技术实现高温连铸坯壳厚度测量,实时调整辊压力、冷却喷水量、压下位置和压下速度等工艺参数,避免出现中心偏析和松散问题,具有重要的工程应用价值。为了进一步提高电磁超声换能器(EMAT)在晶粒粗大和表面振痕的高温铸坯中的信噪比和空间分辨率,建立了基于Chirp信号激励的跑道线圈电磁超声检测过程的有限元模型,分析了EMAT设计参数、Chirp信号频宽和脉宽等因素对脉冲压缩后的超声回波信噪比和空间分辨率的影响,并通过实验予以验证。结果表明:经过脉冲压缩后,超声回波的SNR提高19 d B以上,波包宽度减少62. 4%以上;Chirp信号脉宽和永磁体尺寸对信噪比有显著影响,Chirp信号频宽、永磁体间距和宽度、跑道线圈导线直径及其阻抗匹配参数影响空间分辨率。

基于对偶混合变分形式的Uzawa型算法

基于弹性接触问题的三变量 (应力 ,位移 ,接触边界位移 )对偶混合变分形式 ,对混合有限元离散化的单边约束问题 ,提出了一种Uzawa型算法· 首先证明了迭代算法的收敛性 。