先进的超声可视化成像检测技术及其应用

通过先进的可视化成像检测技术可以准确地获取材料及其结构内部缺陷大小、位置以及三维分布特征。在众多的可视化成像无损检测方法中,超声成像检测方法是一种已经在复合材料、焊接等领域得到广泛应用的可视化成像检测技术,通过超声B-、C-、T-扫描以及三维投影成像,可以揭示材料及其结构中缺陷和微结构的三维量化分布。本文介绍了基于超声成像检测方法的典型检测应用及结果。     

温度变化下基于兰姆波的复合材料结构损伤识别(英文)

提出了一种基于兰姆波的两步识别方法,对温度变化下复合材料结构内部损伤进行监测和识别。首先采用统计偏值分析方法来判别传感器网络监测到的兰姆波信号变化是由损伤引起还是由温度变化引起,从而确定损伤是否发生。在对兰姆波进行傅里叶变换后,从统计角度定义损伤指标以考虑温度变化的影响,并采用蒙特卡罗方法计算无损状态下损伤指标的阈值。如果在运行状态下获得的损伤指标超过了阈值,则认为损伤发生。然后采用损伤存在概率成像方法融合多个激励-接收路径上的损伤指标信息生成诊断图像实现损伤位置识别。对温度变化下的加筋复合材料壁板试件进行的实验研究表明了所提出方法的有效性。     

基于超声导波波束成形的缺陷反演方法研究

利用超声导波对板结构中的缺陷进行反演可以确定缺陷的位置和形状信息,针对走时成像方法在低频范围内效果不佳的问题,提出一种基于波动场的超声导波缺陷反演成像方法。根据波动方程推导出波束成形成像原理,利用Born近似下的散射场数据对成像区域像素点的值进行相干叠加,得到缺陷的位置和形状。再通过波束成形与傅里叶衍射定理在频域的映射关系,将波束成形的结果转化为衍射层析成像图像,得到了更为清晰的反演图像。针对衍射层析成像中存在伪影和噪声的问题,利用二维变分模态分解（Two-dimensional variational mode decomposition,2D-VMD）方法对图像进行降噪处理,有效去除了伪影和缺陷轮廓边缘的毛刺,进一步提高了成像分辨率。反演结果表明该方法可以较为准确地重构出铝板上减薄缺陷的位置、大小和形状,具有较高的分辨率。     

基于幅度补偿的混凝土合成孔径聚焦成像方法

合成孔径聚焦技术(Synthetic aperture focusing technique,SAFT)通过叠加邻近多道通的回波信息,可增强目标缺陷的信号特征,被广泛应用于超声无损检测领域。对于大深度混凝土结构的无损检测问题,由于超声波的衰减作用明显,传统B扫描及SAFT方法的成像效果均不理想。为提高混凝土超声成像的质量,测定了混凝土中超声波传播的相对衰减系数,引入幅度补偿技术对微弱回波信号进行幅度补偿,然后再对补偿信号进行SAFT成像处理,进一步增强了超声成像效果。人工混凝土块实验表明,本文所提方法比传统成像方法具有更高的成像分辨率,底部缺陷反射更加清晰,同时内嵌铁管及木块的实验均验证了本文方法的有效性。     

基于模糊理论的复合材料超声检测缺陷类型识别

本文以复合材料常见缺陷分层、孔隙、疏松的超声波检测缺陷信号为研究对象,选取缺陷波的时域及频域特征,考虑到各特征量之间的不可避免地存在耦合关系,而且对缺陷区分的重要性、敏感度也有很大的差别,采用加权多面体隶属度概念构造隶属函数,依据最大隶属原则进行模式识别,从而区分复合材料缺陷类型。     

表面开口矩形缺陷兰姆波散射的边界元模拟

本文介绍了边界元法与兰姆波本征模式函数相结合的混合边界元法理论模型,用混合边界元法计算了铝板中A0模式兰姆波在表面开口矩形缺陷上的散射.通过数值计算,给出了不同频率下的模式转换特性和散射系数,并给出板中兰姆波传播和裂纹对兰姆波散射的波场快照,本文的研究工作对板状结构兰姆波无损检测技术的研究具有参考价值.     

空气耦合式超声波无损检测技术的发展

空气耦合式超声波无损检测技术具有完全非接触、无损伤的特点,可用于传统超声检测手段难以适应的场合。本文介绍了空气耦合式超声检测技术的发展历程和主要难点,总结了该技术近几年的实际应用情况,分析了该技术的局限性。     

碳纤维复合材料/钛合金叠层板振动辅助钻孔技术

碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)/钛合金(Titanium alloy,Ti)叠层板材料两种材料加工性能差异极大,且钛合金导热系数和弹性模量低,极易产生高温螺旋长屑,不仅会影响自身孔表面质量,也会划伤和热损伤碳纤维复合材料层,这是该材料加工的主要难点。本文搭建了超声-低频振动钻孔试验台,在切削温度、钻孔质量和切屑形态等几个方面,对普通、旋转超声和轴向低频振动辅助等3种钻孔方式进行了对比分析,并对钛合金切屑造成的CFRP层损伤进行了机理探索。研究表明:相比普通钻孔,引入旋转超声和轴向低频振动可降低钻孔温度,提高钻孔质量。特别是轴向低频振动辅助钻孔方式,可有效打断钛合金切屑,切削温度比普通钻孔方式降低约45%,减轻了钛合金切屑对CFRP层的损伤,提高了钻孔质量。     

小波分析和人工神经网络在金属超声无损检测缺陷分类中的应用

基于金属超声检测中的缺陷脉冲回波为非稳态信号的特点，对高温合金材料超声检测信号的小波变换进行了特征分析，提取了各级小波分解信号的能量分布特征，最后将这些特征输入人工神经网络进行训练和分类，实验表明，这种方法具有良好效果。     

激光激发单模兰姆波的有限元模拟

针对激光超声技术中如何提高超声信号强度的问题,建立激光作用在铝板材料中激发超声波的理论模型,采用有限元方法对环状阵列激光源激发的超声波进行数值模拟.通过调节环状激发源的个数及间距,优化加载模型,得到了超声信号强度和信噪比均较高的加载模型结构.并利用FFT变换提取出超声信号的频率,计算出超声兰姆波波包的群速度.结果表明,该加载模型下激发的超声模式为能量高、频散小、且在整个板内部均有一定振动能量的A0模式兰姆波.这一结果可对激光超声无损检测中激发光源的选择和模式优化有一定参考价值.     

焊缝声发射源二维时间反转成像定位方法研究

焊缝检测一直是工业无损检测的一个重点检测对象,但是目前还没有一种可靠准确的动态检测方法,而应用声发射检测技术实现焊缝动态监测的一个重要方面就是声源定位问题。本文提出采用时间反转成像理论进行声发射源定位,主要对两种成像方法处理结果进行探讨。根据声发射检测特点,结合时间反转聚焦理论,推导了损伤声源信号时间反转过程,有效提高了信号的信噪比;根据四点圆弧成像方法,理论分析了两种成像方式的特点;最后通过数值仿真验证定位方法,从仿真实验结果可知,该成像定位算法可准确确定声源位置,同时发现两种成像方式的时反成像图存在一定差异,但经过阈值化处理后,成像结果一致,对定位精度没有影响。     

波形钢腹板焊缝质量超声检测方法研究

新型波纹钢腹板PC组合箱梁结构大跨度桥梁已经在国内外得到了广泛应用,但是对主要承力的钢腹板焊缝检测仍然没有可靠的无损检测方法。研究采用超声波检测方法对波纹钢腹板角接焊缝进行实验探索,首先根据超声波在材料中的传播原理,理论分析超声检测方案;然后根据实际波纹钢腹板与翼缘板角接焊接的工艺和尺寸制备含有不同缺陷的试样;最后进行超声检测实验,并将实验结果与射线检测结果进行比较,超声检测结果与射线检测结果非常吻合,说明超声检测方法可以较好的实现该类结构的检测。     

相控阵超声检测方案设计关键技术及其在航空航天领域的应用

相控阵超声检测技术是一种多通道超声检测方法,与常规单通道水浸超声检测技术相比,检测方案的制定更加灵活也更加复杂。在针对复杂型面结构进行检测方案设计时,错误的检测方案将可能产生缺陷的误检、漏检等严重问题。为了针对航空航天领域广泛存在的复杂结构试件制定最优的相控阵超声检测方案,本文提出了一套针对复杂型面结构的相控阵超声检测方案设计流程,并对其中涉及的关键技术和应用进行介绍。首先,对流程框架进行总体概述,表明检测方案设计的重要性和必要性;然后针对其中涉及的5项关键理论方法的核心原理及用途进行介绍;最后搭建相控阵超声软硬件平台,实现上述关键理论方法,并用于航空航天典型结构件的检测研究。研究结果表明,所制定方案能够准确检出结构内部的预埋缺陷,满足被测对象的检测要求,并且所提出的检测方案设计流程及采用的关键理论方法有效地提高了检测方案的设计效率,对航空航天等重要领域复杂结构试件的检测应用具有一定的理论指导及应用价值。     

复合材料层板超声检测缺陷评定方法分析

碳纤维增强树脂基复合材料的接触式超声检测,对大于探头直径的缺陷常采用半波高法评定大小,但各检测标准均没有对半波高法的基准波进行规定。采用不同基准波评定缺陷可能会造成缺陷评定结果不同,从而直接影响制件验收。本文采用理论分析与实际检测相结合的方法,对复合材料检测中常采用的以底面回波为基准波和以缺陷回波为基准波两种缺陷评定方法进行分析,比较了两种方法测量结果的差异,给出了复合材料层板接触式超声检测缺陷评定方法的建议。     

双金属复合板超声检测方法对比研究

针对20碳钢+316L不锈钢双金属复合板进行了超声检测方法对比研究,采用常规超声横波斜探头、纵波直探头、纵波双晶直探头以及超声相控阵对同样的模拟缺陷进行检测,对实验数据进行对比分析,得出不同类型的缺陷所对应的最适合的超声检测方法,并且分析其原因,为双金属复合板的检测提供参考。实验结果表明,纵波双晶直探头及超声相控阵检测定位较为准确,适合于双金属复合板的检测。     

大曲率复合材料结构的缺陷特征与超声检测

采用超声回波法对大曲率碳纤维增强树脂基复合材料零件进行超声A 扫描,并对缺陷进行定位。结合缺陷区域和非缺陷区域的细观形貌金相图、宏观表面状态以及厚度测量结果的对比分析,讨论了缺陷形态与其回波波形特征的对应关系,以及缺陷可能的形成原因。结果表明,缺陷在细观尺度上呈现多处分层、气孔和孔隙密集缺陷,在宏观尺度上表现为零件表面贫胶与厚度增厚。缺陷的性质与超声A扫描的检测结果相吻合,缺陷的位置集中在零件大曲率部位,其形成原因与复合材料制造工艺密切相关。     

应用于电机轴承和不对中复合故障的RNN诊断方法

提出一种基于伺服电机转速信号的轴承和不对中复合故障的故障诊断方法。首先,探讨了复合故障励磁引起的电机转速变化,分析了通过转速法实现复合故障诊断的理论可行性。实验表明,复合故障中轴承等微弱故障信号的检测容易受到不匹配安装故障的干扰,这将使传统的诊断算法失效。将预处理后的速度信号和通过FFT得到的信号分别通过循环神经网络（Recurrent neural network,RNN）,将输入的时域特征和频域特征融合在一起,作为故障分类的基础。这种时频域特征复合RNN模型（Time-frequency feature compound-RNN,TFFC-RNN）对不对中故障干扰下的轴承故障和正常信号的分类准确率可达90%以上。最后,研究了各RNN变体对于模型准确率的影响。实验结果表明利用门控循环单元进行频域部分的特征提取,模型的诊断正确率最高。     

双金属涡轮结合面超声相控阵检测研究

针对双金属涡轮结合面缺陷特点以及材料超声波高衰减特性,采用收发分离超声相控阵检测方法,对结合面缺陷进行定位研究。首先根据双金属涡轮几何结构特点,建立双金属涡轮有限元仿真模型,分析相控阵超声波在双金属涡轮中的传播规律和接收端的波形。然后,设计并制作双金属涡轮试样和特定曲率的曲面探头,利用收发分离超声相控阵检测工艺对试样上的人工缺陷进行定位方法研究。研究结果表明:收发分离相控阵检测工艺定位方法准确,对结合面可以进行全覆盖检测。     

湿热环境下缝合层压板的拉伸和剪切性能

本文通过复合材料层压板拉伸和剪切实验,研究了常温和湿热环境下缝合层压板的性能。根据试验数据及观察结果,探讨了缝合层压板的性能下降的原因及损伤破坏机理。试验及分析结果表明湿热和缝纫形成的富树脂区影响是层压板高温湿热环境性能下降的两个主要原因。     

薄板声——超声检测信号的时频分析研究

本文以兰姆波的群速度-频厚积频散曲线为基础,采用基于短时傅立叶变换的时-频分析方法,对薄板中传播的声-超声信号进行了处理分析。对厚度为2 mm薄钢板的声-超声检测实验结果证实,在声-超声检测形式下激发的超声波的主要成分是多模式的兰姆波。与现有文献中介绍的基于时间域识别的薄板声-超声信号分析方法相比,时-频分析方法不仅可以很好地识别兰姆波模式,而且可对各模式波的能量成分进行分析。