基于非线性超声调制方法的损伤识别与定位

在结构健康监测技术中,非线性弹性波谱方法具有对结构微小变化敏感的特性,能够有效地对裂纹等非线性损伤进行识别。笔者针对采用两个持续激励的普通非线性弹性波谱方法不能定位损伤的问题,提出了一种能够识别并且定位铝板中疲劳裂纹的非线性超声调制方法。该方法通过识别脉冲与高频超声波之间的调制现象来进行损伤检测。实验中,压电阵列粘贴于疲劳裂纹铝板表面,汉宁窗调制的正弦脉冲激励和正弦持续激励同时施加在压电阵列上。通过采集不同的作动传感路径的响应,利用短时傅里叶变换对响应进行频域分析,构造损伤指数量化损伤程度,对疲劳裂纹进行识别和定位。实验结果表明,所提出的方法可以成功地检测并定位疲劳裂纹损伤。     

识别疲劳裂纹损伤的瞬时基准方法研究

传统的基于超声导波的结构健康监测及损伤识别方法是通过对比当前测量信号与结构完好时的基准信号进行损伤识别,但这类基准信号对工况及环境变化十分敏感。为降低对这类基准信号的依赖,提出了一种基于瞬时基准的疲劳裂纹损伤识别方法。利用疲劳裂纹在不同幅值激励下不同的超声非线性特性,以小幅值激励下结构响应为瞬时基准信号,以大幅值激励下结构响应为当前信号,使用比例相减法提取当前信号与瞬时基准信号间的差信号,对疲劳裂纹损伤进行识别。分别以完整铝梁及疲劳裂纹铝梁为实验对象,使用压电片激励和接收应力波信号。实验结果表明,该瞬时基准方法可有效识别疲劳裂纹损伤,而无需结构完好时的基准信号。     

一种基于高频频响函数的无基准疲劳裂纹识别方法

传统的线性频响函数损伤识别方法依赖于与健康基准对比来识别损伤,限制了其应用范围。提出了一种基于非线性高频频响函数的无基准疲劳裂纹损伤识别方法。通过分析出现裂纹时损伤界面的非线性特征,提出利用不同幅值激励下高频频响函数不同的特性,在无基准情况下提取非线性频响成分,构造损伤指数表征非线性损伤,同时分析了不同频率段对疲劳裂纹的敏感程度。实验表明该方法可以在无基准情况下有效识别疲劳裂纹。     

基于非线性振动调制超声导波的悬臂梁结构的非线性损伤定位

提出了一种利用非线性振动调制超声导波的方法,实现了悬臂梁结构中非线性损伤定位（疲劳裂纹）。在该技术中,损坏的金属梁设计为悬臂梁结构,引入的磁铁系统用来控制悬臂结构的动力学响应,使模型呈现出非线性振动。结合非线性振动声调制技术和同步锁相解调技术,提取出由于疲劳裂纹引起的非线性响应,实现疲劳裂纹的定位。     

非金属管道损伤的非线性超声导波延时检测定位方法

由于超声导波难以准确检测非金属管道的早期损伤,本文提出了一种非线性超声导波延时方法对非金属管道结构损伤进行测试和定位。基于非线性超声调制机理分析了非金属管道损伤状态,使用同侧非线性超声的混频信号激励方式并根据超声导波传播速度的差异产生激励信号延时,然后在管道损伤处实现混频信号的非线性调制。采用HHT(Hilbert-HuangTransformation)提取混频延时信号的瞬时特征量,并通过分析非线性分量延时分组进行损伤区域检测,实现了对非金属管道裂纹损伤的定位。PVC(Ployninylchloride)非金属管道实验显示,无损伤状态下延时信号分组的标准化基准值为0.518 8;单裂纹状态下延时信号分组标准值为0.593 7,损伤定位相对误差为3.277%;双裂纹损伤状态下的标准化瞬时平均幅值为0.580 1与0.607 3,损伤定位值绝对误差小于4mm。相对于利用小波包络分解的非线性延时定位检测法,实验得到的单裂纹损伤准确度提高了36.4%。结果表明该方法能够对非金属管道裂纹损伤准确定位,并能够检测早期多裂纹损伤。     

铝合金薄板疲劳裂纹的非线性声学特性

在没有任何损伤的铝合金薄板中,主要表现为原子间的非线性,以至于非线性声学特征不明显并很难测量;然而当铝合金薄板中出现疲劳损伤时,将产生明显的非线性声学特征,这对于识别铝合金薄板中的疲劳损伤十分有利.推导超声波在含有疲劳裂纹的固体金属中传播时非线性声学特征方程.利用非接触激光测振仪、任意波形发生器、数字示波器和计算机等组建铝合金薄板疲劳裂纹试验系统,并以含有疲劳裂纹的2024铝合金薄板为研究对象,利用该系统,在单频超声波即中心频率为270 kHz激励下,对超声波在2024铝合金薄板中传播的非线性声学特性进行试验研究.结果表明,高次谐波可作为表征疲劳裂纹或缺陷的特征量.根据不同点的扫描结果,获得时域峰值幅度和频率幅度与扫描位置之间的关系,由此可大致确定疲劳裂纹的位置.     

非线性振动声调制信号耦合特征分析

振动声调制(Vibro-acoustic modulation,VAM)是一种非线性无损检测方法,利用低频振动信号与高频超声波在结构损伤处产生调制现象来检测损伤.目前振动信号与超声波之间的耦合机理、损伤程度与调制强度的关联关系还不明确.以一块航空铝板为对象开展试验研究,通过对不同裂纹长度下的VAM信号进行AM-FM解调,从时频域分析振动信号与超声波是如何相互耦合的;研究激励参数和裂纹长度对VAM信号调制强度的影响.结果表明,当铝板中存在损伤时,振动信号与超声波之间既存在频率调制也存在幅值调制,调制波为振动信号的基波及各次谐波;VAM信号的调制强度受激励电压、铝板振动模态等因素的影响,与裂纹长度的关联关系并不是单调的,因此无法用于损伤程度的评估.根据非线性弹簧模型和影响VAM信号调幅特征的因素定义可用于损伤评估的相对指标,并进行验证.     

基于改进全息希尔伯特谱分析的旋转机械故障诊断方法

时频分析方法能够有效同时提取故障设备振动信号的时间和频率信息,但在全面反映非线性振动信号幅值调制与频率调制特征之间的跨尺度耦合关系方面仍存在局限,且容易受到噪声干扰。对此,创新性地将全息希尔伯特谱分析(Holo-Hilbert spectral analysis,HHSA)方法引入到机械故障诊断中。HHSA通过双层经验模态分解(EMD)结构可完整地描述振动信号的内部调制特性,非常适合机械局部故障的检测。同时,为了进一步提升HHSA的诊断精度、抑制EMD模态混叠和噪声干扰,提出一种基于改进再生相移正弦辅助经验模式分解(Improved regenerated phase-shifted sinusoid-assisted EMD,IRPSEMD)的改进HHSA方法(IHHSA)。通过仿真信号验证IHHSA方法用于局部故障检测和诊断的有效性。最后,将IHHSA应用于齿轮裂纹故障和滚动轴承局部故障诊断中,结果表明,提出的IHHSA方法能够更全面地反映和呈现非线性故障振动信号的内部调制关系,且具有更好的故障识别能力。     

基于振动声调制的金属微裂纹定位方法研究

针对传统线性超声检测无法检测闭合微裂纹的问题,搭建了铝板的微裂纹振动声调制(VAM)检测系统,提取检测信号中的一阶旁瓣非线性信号和只滤除基波的全部非线性信号并对其时域反转,在ABAQUS有限元软件下,将其加载在铝板的无损模型上实现时间反转聚焦,获取铝板模型能量分布云图和各质点的位移信息,以此对微裂纹进行定位。结果表明,在时反信号的聚焦时刻原裂纹位置处有较强能量聚焦,只滤除基波的全部非线性信号聚焦效果优于一阶旁瓣非线性信号,振动声调制技术与时间反转方法结合能够实现对微裂纹的检测和定位。     

框架结构非线性损伤的主成分分析识别方法研究

针对框架结构非线性损伤识别问题,提出一种基于主成分分析的损伤识别方法。利用主成分分析数据压缩和特征提取的特性,首先对结构基准工况响应信号进行处理,提取特征成分,得到主成分模型,然后将结构未知工况响应数据向主成分模型投影,通过构造损伤指标实现对结构非线性损伤的识别。以四层钢框架结构碰撞模型为实验对象,通过螺栓和钢柱构造碰撞非线性损伤源,实验结果表明该方法可有效识别结构的非线性损伤。     

基于振动声调制的金属微裂纹检测方法

为克服传统线性超声无法检测微纳级宽度裂纹的缺点,开展了振动声调制法检测金属微裂纹的研究。用有限元分析软件ABAQUS开展了仿真研究,并验证了该方法的有效性,为实验参数设置提供了参考。搭建振动声调制检测系统,分析了不同长度微裂纹的调制特性,提出了基于振动声调制信号的信息熵定量表征方法。结果表明,存在微裂纹的铝板的振动声调制信号中的旁瓣信号明显,且检测信号的信息熵随裂纹长度单调增大,可作为振动声调制法检测微裂纹长度的特征参数。     

环境湿度对铸铝合金超声疲劳裂纹扩展速率的影响研究

针对铸铝合金A356-T6开展了不同环境湿度下的超声疲劳裂纹扩展试验和实验室环境湿度下的常规疲劳裂纹扩展试验。由试验结果可知,超声疲劳在干空气环境中的疲劳裂纹扩展速率最低,而在蒸馏水环境中的疲劳裂纹扩展速率最高。常规疲劳在实验室环境中的疲劳裂纹扩展速率和超声疲劳在蒸馏水环境中的疲劳裂纹扩展速率几乎一致。针对Wei建立的环境湿度对铝合金材料疲劳裂纹扩展速率预测模型进行了修正,得到了铸铝合金A356-T6在任意环境湿度和试验频率下的疲劳裂纹扩展速率预测模型。     

微纳米级裂纹的非线性超声检测

为了实现对金属材料中微纳米级裂纹的超声检测,建立了非线性超声检测系统,研究了超声波与金属材料中裂纹的相互作用以及超声波的畸变效应.介绍了固体中普遍存在的超声非线性现象;以金属材料中的微纳米级裂纹为例研究了裂纹与超声波相互作用产生的畸变效应;在分析超声波产生畸变的基础上,描述了超声高次谐波振幅的测量方法.最后,以金属材料...     

疲劳裂纹闭合的数值模拟方法

用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸应力作用下的疲劳裂纹扩展过程,对塑性变形导致的裂纹闭合效应进行了分析。试件材料为2024-T351铝合金板,平面应力状态,线性随动强化假设。分析中考虑裂纹面的弹塑性接触和几何非线性变形,通过逐步释放裂尖节点来模拟裂纹扩展。考察了裂尖局部网格单元尺度、裂纹长度和平均应力对裂纹张开/闭合应力水平的影响。裂纹闭合效应会随疲劳裂纹长度增加而逐渐增强,呈先爬升再缓慢下降的趋势,应力比的增大会导致裂纹张开/闭合应力水平提高。此外,网格细度也对张开/闭合应力的大小有一定影响。     

螺旋波纹管导波检测技术的数值仿真和试验研究

为对螺旋波纹管进行缺陷检测,研究纵向模态超声导波在螺旋波纹管中的传播特性。在Abaqus仿真软件平台中构建螺旋波纹管的计算模型,得到含有环向裂纹缺陷时的仿真结果。在此基础上,采用自主研制的电磁声换能器进行试验研究。试验所用的激励信号为经Hanning窗调制的20个振荡周期的正弦脉冲,中心频率为240 kHz,采用单一传感器在螺旋波纹管中激励和接收L(0, 2)模态导波,实现对螺旋波纹管中人工裂纹缺陷的识别,分析并计算缺陷位置测量不确定度。有限元仿真和试验结果表明,超声导波技术可以实现对螺旋波纹管裂纹缺陷的检测。     

电磁超声非线性效应表征的 Lyapunov 指数分析方法

针对金属疲劳损伤非线性效应非接触式检测需求及其低信噪比问题,提出电磁超声方案对非线性效应进行信号拾取, 并采用 Duffing 混沌系统实现对金属疲劳程度定量评估,进而依据相轨图和 Lyapunov 指数表征材料疲劳演变非线性特性。 采用 有限元方法分析铝合金疲劳损伤演变过程,基于材料 Murnaghan 模型和微裂纹等效弹簧模型,研究疲劳损伤演变过程中相对非 线性系数变化规律;进而探究 Duffing 混沌系统对于非线性效应特征提取的抗噪能力,当信噪比在 20 dB 时,相对非线性系数误 差为 132. 12% ,而 Lyapunov 指数误差为 8. 82% ,因而 Lyapunov 指数较非线性系数而言有显著的抗噪能力;此外,基于对铝合金 疲劳检测进行实验研究,验证了电磁超声非线性效应 Lyapunov 指数表征分析方法的可行性及准确性。 研究结果表明,Lyapunov 指数能够有效应对电磁超声非线性检测过程中低信噪比问题,从而提升非线性特征拾取的灵敏度和可重复性,进一步增强电磁 超声等非接触式超声检测方法在疲劳在线检测演变的工程应用的贡献。