Lamb波的交叉递归分析在金属板损伤量化中的应用EI北大核心CSCD

针对金属板疲劳损伤演变的非线性动力学特性,提出了基于Lamb波交叉递归分析的疲劳裂纹量化检测方法。该方法首先从结构动力学角度采用交叉递归图分析了损伤信号与无损信号在相空间中的非线性相关性,并在此基础上采用了交叉递归量化分析(cross-recurrence quantification analysis, CRQA)特征对Lamb波信号中的裂纹损伤进行表征。接着,结合CRQA特征的状态相关性、单调性、鲁棒性及特征间的关联性进行特征的优化选择,采用支持向量描述模型对优选特征进行了融合,构建了金属板疲劳损伤的统一量化指数。最后,采用铝板随机裂纹仿真试验与铝板弯折试验对该研究提出方法进行了验证。结果表明,基于Lamb波交叉递归分析的损伤评估方法突破了Lamb波的多模态性、散射性、损伤波包的微弱性造成的损伤特征提取困难的问题,不仅能够对金属板疲劳损伤进行有效的量化评估,还具有较好的噪声鲁棒性,在复杂结构疲劳损伤检测与评估领域具有较好的应用前景。     

基于导波相控阵全域波束形成及局部时反的损伤定位和量化研究

为满足结构健康监测在线、实时性的要求,该文提出导波相控阵波束形成全域损伤定位及时反局部损伤量化方法。该方法使用一个混合检测系统,其包括一个用于产生导波的压电陶瓷换能器和用于拾取波场信息的非接触扫描式激光多普勒测振仪(SLDV)。由SLDV逐点扫描组成的相控阵阵列,基于导波相控阵波束的形成和成像算法定位薄板中的损伤位置。然后,将已定位的损伤区域作为目标区域,基于频率-波数(f-k)域时反成像方法对局部区域定量评估损伤。数值仿真和实验结果表明:所提方法能够快速定位损伤区域,并定量评估损伤大小。     

钢轨垂直振动模态导波频散曲线、波结构及检测应用*

频散曲线和波结构是钢轨导波检测时设计检测方法和分析回波波形的基础。首先介绍了半解析有限元计算任意截面弹性波导中导波传播的频散曲线和波结构的基本方法。然后应用该方法求解了U60型钢轨中垂直振动模态的导波频散曲线和波结构,并讨论了频散曲线和波结构在钢轨轨头缺陷导波检测中的应用。最后采用模态力锤实验及时频联合分析的方法验证了频散曲线数值计算结果。钢轨轨头横向裂纹垂直振动模态导波检测的有限元数值模拟和实验表明该模式导波是检测钢轨轨头缺陷的有效检测模式波型。     

基于超声导波的列车转向架结构损伤定位成像研究

转向架构架为列车重要部件,其健康状况直接关系到列车安全运行,而基于超声导波的无损检测技术能够用于结构健康监测。采用导波反演法获取构架材料的体波波速,结合Lamb波频散方程得到构架的Lamb波频散曲线,进而选择激励信号。载荷和构架边界都会使响应导波信号特征变得复杂,使得损伤定位误差增加。为减少时域信号误差的影响,采用完好结构与检测结构的激励信号与相应导波能量谱相关系数进行分析。通过此系数获取检测结构的损伤指数,经权函数对各导波传播路径加权,从而得到损伤概率密度大小,进行损伤定位诊断成像。在构架中分别沿焊接方向以及承载剪切方向引入切槽损伤进行实验测试。结果表明,该方法能够较准确地实现损伤定位。     

复合材料加筋壁板损伤识别的概率成像方法

由于不需要超声导波的波速和传播时间,损伤概率成像方法特别适合于复合材料结构的损伤识别。但是其损伤概率分布函数是一种不精确的分布概率,会造成损伤定位精度的降低,从而会影响其在实际工程结构中的应用。为了提高其损伤定位精度,提出了一种改进的损伤概率成像方法。该方法通过利用损伤因子与损伤距离激励-传感通道直达路径的相对距离的关系,对损伤概率成像方法的损伤概率分布函数进行了改进。通过对复合材料加筋壁板上不同位置损伤的识别,对所提方法的有效性进行了验证。实验结果表明,该方法不仅能对复合材料加筋壁板的单损伤进行准确定位,而且能对两个损伤进行有效识别。     

激光超声导波分频段时域滤波及频率波数域逆时损伤成像

构建了一个激光激励和激光多普勒扫描拾振的完全非接触式超声导波损伤检测实验平台,实现对结构中超声导波场的高分辨率拾取,克服了常规接触式导波换能器致使波场检测空间分辨率低等不足。提出分频段时域滤波的方法,将激光超声宽频带信号分解为多个窄带信号以抑制频散效应,进而在无基准信号的前提下实现对损伤信号的提取;在此基础上应用频率波数域逆时损伤成像方法重构入射波场及损伤散射波场,以确定损伤边界,进而综合各窄带信号的损伤成像结果以获得更为精确的成像。仿真和实验结果表明:结合小波分析分频段时域滤波法与频率波数域逆时损伤成像方法能够实现各向同性板状结构中损伤的非接触检测,在工程实践上具有更广的应用价值。     

蜂窝夹层板结构中导波的传播特性及其脱粘损伤的检测

利用有限元模型研究了蜂窝夹层板结构中导波的传播特性,并进行了蜂窝夹层板结构中蒙皮与蜂窝芯脱粘损伤检测的实验研究。建立了基于实际蜂窝夹层板结构的有限元模型,利用COMSOL Multiphysics软件模拟了导波在完好结构和含有脱粘损伤结构中的传播规律。结果表明,导波在蜂窝夹层板中传播时具有频散和多模态特性,可通过频散关系确定导波的各阶模态,且A_0模态对脱粘损伤最敏感。采用压电片作为激励源,选取窄带脉冲作为激励信号激发导波,利用Polytec激光测振仪采集蜂窝夹层板中的导波信号。对信号进行小波变换,提取A_0模态的幅值,并在此基础上通过损伤概率算法定位脱粘损伤的位置。结果表明,A_0模态幅值可作为损伤检测的参数,且重构的脱粘损伤与实际的脱粘损伤位置吻合较好。     

悬索桥缆索钢丝损伤超声导波检测数值模拟

为了实现对大跨悬索桥缆索钢丝损伤的有效检测,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对超声导波无损检测技术进行研究。通过理论求解钢丝中导波的频散曲线,分析频散特性和波结构,选取中心频率为200 kHz的L(0,1)模态进行钢丝断丝损伤检测;利用有限元软件,研究了钢丝中导波的频散特性和波结构,通过二维傅里叶变换技术对钢丝中的低阶导波模态进行识别,进一步分析了缺陷尺寸和角度对L(0,1)模态缺陷反射系数的影响;最后,对L(0,1)模态在两根钢丝和七根钢丝的断丝处的缺陷回波进行了数值模拟。数值模拟与理论分析结果相吻合,说明低频L(0,1)模态可以有效地对缆索钢丝断丝损伤进行远距离检测。     

基于相轨迹的多裂纹管道超声导波检测研究

在超声导波多裂纹管道损伤检测中,缺陷回波信号幅值较小且波形复杂,不利于损伤的识别。基于混沌系统的初值敏感性及较强的噪声免疫特性,通过数值模拟和实验研究,验证了杜芬混沌系统的相轨迹识别多裂纹管道超声导波信号的有效性。给出了混沌系统相轨迹识别导波信号的原理,并结合超声导波检测,确定基于相轨迹识别的系统检测参数。利用ANSYS有限元软件和搭建的超声导波实验平台分别进行数值模拟和实验,获得超声导波在含有不同损伤大小的6m长的双裂纹管道中传播的数值模拟信号和实验信号,并在数值模拟信号中添加一定的高斯白噪声,用以分析噪声对混沌系统的影响。利用选取的杜芬混沌系统检测数值模拟信号与实验信号并进行对比验证,最后根据二分法确定缺陷位置。检测的相轨迹结果表明,该杜芬系统能够有效地免疫噪声并识别管道中的双裂纹小缺陷,并且提高了超声导波检测的灵敏度。     

应用非线性Lamb波识别三维铝板中的微裂纹方向的研究

针对结构中不同裂纹方向的检测问题,采用数值模拟的方法,通过有限元软件ABAQUS建立了一种包含人工粘弹性吸收边界的三维铝板模型,对Lamb波S0模态信号与微裂纹的非线性关系进行研究。在该模型中,将三维埋藏微裂纹嵌入到模型内部的固定位置,在相同激励条件下改变裂纹方向并对仿真获得的时域信号进行频谱分析,然后对不同裂纹方向的二次谐波与基波信号的幅值比指向性图的变化规律进行了比较和讨论。仿真结果表明,不同方向的裂纹对Lamb波在裂纹区的散射场分布有明显的影响,波的传播路径满足反射定律,且前向散射信号的幅值比普遍大于后向散射的幅值比。加上人工吸收边界后,前向散射与后向散射的幅值比差值随着裂纹方向角度的增大而增大。检测结果表明,该方法可以在误差允许范围内对任意裂纹方向的角度进行识别。     

基于弹性导波的厚钢梁结构的损伤检测

弹性导波由于其对损伤的敏感性和长距离传播特性,成为近年来结构健康监测领域的一个研究热点.探讨了利用 PZT 换能器在较厚结构中进行基于弹性导波方法的损伤识别的可能性.首先参考 Lamb 波的频散曲线,设置了导波的激励信号参数如激励频率、激励波形周期数等;基于优化的激励波形和 PZT 换能器布局,在结构健康监测实验平台上对试件进行了检测.通过对实验结果的处理分析,计算出导波的群速度,并根据群速度和飞行时间(ToF)得到了损伤的位置信息.结果表明利用导波方法能够针对较厚结构进行损伤定位并能识别出不同大小的损伤.     

车用永磁同步电机电磁噪声分析研究

以电动汽车驱动用永磁同步电机为研究对象,从作用于电机定子表面的电磁力波和电机定子结构的动态特性两个方面对电动汽车驱动用永磁同步电机空载工况的电磁噪声展开研究.通过研究永磁同步电机产生电磁力波的机理,推导了空载工况电磁力波的解析分析方法,结合电磁仿真的手段,精确计算了电机在空载工况下电磁力波的波次、频率和幅值;通过建立电机定子结构的有限元仿真模型及有限元模态仿真计算,得到了定子结构的模态频率和振型.发现：电机定子结构的前6阶模态频率较低,电机空载工况在调速过程中所激发的电磁力容易引起电机定子结构的共振.该研究为电动汽车驱动用永磁同步电机的减振降噪提供了指导.     

基于磁致伸缩导波的尖轨缺陷检测技术研究

尖轨在其周期性载荷作用下易发生断裂,引发列车事故。为对尖轨缺陷进行检测,文章基于磁致伸缩效应研制了导波检测系统,研究导波在尖轨中的传播特性、导波对尖轨附属件的检测能力以及缺陷的识别能力。采用ABAQUS/Explicit有限元方法研究了不同频率导波在尖轨中的传播特性。所研发的磁致伸缩导波检测系统在尖轨上的检测是可行有效的。使用导波检测系统在尖轨底面激励的水平剪切导波在基本轨和尖轨上可传播的有效距离至少为 12 m,在空轨中至少能传播 16 m。而且低频导波主要沿轨底传播,高频导波主要沿轨腰和轨头传播,多频导波结合能更加准确地对尖轨的检(监)测。     

基于Lamb波的薄壁槽状结构损伤检测研究

研究复杂工程结构的结构健康监测技术具有现实意义。使用基于Lamb波的仿真和实验方法,对“U”形截面的铝合金构件中的损伤检测问题进行了研究。建立了构件的三维有限元模型并实现了Lamb波传播过程的动态仿真;实验中使用锆钛酸铅压电晶片（PZT wafer）来激发和接收在构件中传播的Lamb波。借助于连续小波变换（CWT）和希尔伯特变换（HT）等方法对仿真和实验中采集到的Lamb波信号进行处理,从中提取了与损伤有关的时域特征,建立了损伤位置和损伤反射波包飞行时间（ToF）之间的定量关系。     

混凝土分层缺陷的超声检测方法研究

为解决混凝土结构中分层缺陷的在线非接触检测难题,论文提出了利用空气耦合(简称:空耦)超声导波定量检测混凝土结构中分层缺陷的新方法。首先研究了空耦超声导波在混凝土结构中的传播特性,理论分析和实验表明,利用空耦超声波以入射角8.7°入射厚度为50 mm的混凝土板时,可以激发以A0模态为主的导波。然后构建了空耦超声导波扫查实验系统,在混凝土结构单侧利用一对倾斜8.7°的空耦探头激励和接收导波信号,通过分析发现A0模态对分层缺陷敏感,且其幅度与扫查路径中的分层缺陷尺寸存在单调变化关系;在此基础上,对检测区域进行扫查,利用不同位置处的导波信号幅度实现分层缺陷的二维成像。实验结果表明,该方法不仅可以避免耦合剂对检测结果的影响,同时可实现对服役状态下混凝土结构中分层位置及尺寸的定量检测。     

强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法

Lamb波因其检测范围广、对缺陷敏感性高等特点在复合材料无损检测中广泛应用。但强噪声环境给有效信号的提取带来难度,影响损伤位置判定精度。针对该问题,提出了一种在强噪声背景下基于计盒维数和Lamb波层析成像技术的损伤定位成像方法。首先通过仿真分析了Lamb波在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板损伤前后传播的特性。在选定的复合材料板上均匀布置圆形传感器阵列,以粘结质量块改变结构局部刚度的形式模拟真实损伤;其次每个传感器依次作为激励器产生Lamb波,其他传感器采集有无损伤下的响应信号,采用小波变换进行信号去噪。将去噪后的信号添加不同等级的白噪声实现噪声干扰;最后采用计盒维数计算有无损伤的信号差异确定损伤因子,并通过概率成像算法实现损伤的定位成像。实验结果表明,在强噪声环境中单损伤与多损伤成像定位最大和平均误差分别为11.18 mm和6.88 mm,该方法无需信号降噪技术,且避免了多损伤时复杂反射信号的提取过程,在强噪声下复合材料损伤定位识别方面具有较大的潜力。     

温变工况下超定独立成分分析导波监测方法

基于超声导波的结构健康监测技术在实际工程应用中受到变化的环境工况条件的影响,由于独立成分分析方法对于处理时变工况条件下的大量监测导波信号存在局限性,以及对不同程度的损伤表征研究存在不足,提出一种基于超定独立成分分析的导波监测方法并改进了基于k均值聚类的损伤指标。以广泛存在的环境温度作为环境变量,通过主成分分析从大量导波信号组成的观测矩阵中确定独立分量个数,使用独立成分分析将处理后的导波信号分解为独立分量,能够有效地将损伤与环境工况的影响分离到不同的独立分量中。对长期经受环境温度变化的铝板进行了导波监测实验,结果表明该方法能够有效减少独立分量数目并从大量导波信号中排除环境温度的干扰识别出损伤,并且对处于温变条件下的完整和不同损伤程度的铝板进行了损伤识别实验,进一步研究了该方法在排除环境温度干扰的同时表征损伤程度的效果。     

基于应变模态差分原理的直接定位损伤指标法

目前应变类损伤指标大多数只能利用损伤前后的模态参数进行损伤定位，但要得到损伤前的模态数据非常困难，难以在土木工程中推广应用。为此提出了无健康标准下基于损伤应变模态差分原理的直接定位损伤指标法ISMSD（Strain Mode Shape Difference），只需利用损伤后应变模态数据即能定位损伤。推导了损伤应变模态等间距和不等间距差分格式。在综合考虑相邻两有效极值点间有效距离比、有效极值之差绝对值、有效极值绝对最大值的基础上，建立了直接定位损伤指标数学模型。根据理论推导和数值仿真统计分析，提出损伤位置判定准则：若某点的每阶指标值均最大，则该点有损伤；若某点的某阶或多阶指标值越大，则该点损伤可能性越大；对于某阶节点损伤，则可通过其余阶的指标值定位损伤。该指标能正确地判定损伤位置，尤其是损伤量较小情况。     

分谱处理算法在基于超声导波损伤识别中的应用

利用分谱处理（SSP）算法,通过比较基准波信号和检测波信号的瞬时相位变化度（IPVD）来评估损伤散射的基础阶对称（S0）模式的飞行时间（ToF）,最终实现基于超声导波的损伤识别。首先在理想的工作环境中（无噪声）,对无缺陷的铝板进行检测,并把所采集的波信号作为基准信号。然后在不同的工作环境中（无噪声和有噪声）检测带有切缝缺陷的铝板,并把所采集的波信号作为检测信号。实验结果表明,当检测波信号的信噪比较低时,噪声能量严重干扰了检测波信号的能量分布。然而,SSP算法所提取的检测波信号的IPVD几乎不受噪声的干扰,因此利用SSP算法能够有效地抵抗强噪声的干扰,精确地评估损伤散射的S0模式的ToF,并进一步结合三角定位算法成功地定位出铝板中的切缝缺陷。