方钢低频长距离超声导波检测盲区关键技术研究

发布时间：2020-11-04 20:57

　　 在长距离超声导波无损检测中,通常采用回波法进行缺陷检测,但当缺陷靠近远端时往往会出现在常规监测时域区间内缺陷回波丢失的问题,即远场盲区问题,而该区域往往是缺陷高发区。本文以长杆方钢为例,对超声导波检测中的远场盲区问题进行研究。主要工作和创新性成果如下:1.为提高仿真效率,采用二维等效模型进行方钢超声导波模型的简化,通过仿真和实验对比的方法,验证了该等效模型的有效性。在实验验证方法研究中,为减小实验中耦合剂引起的信号衰减,提出并研制了锂基油脂作为实验用超声耦合剂,有效改善了超声信号在探头与试件接触处的透射性能;从理论上合理解释了实验中的特定非期望波产生的原因(即入射波小角度偏差),分析了非期望波对入射总能量的分配的影响;2.对基于双探头反射法的长距离超声导波盲区现象及接收信号特点进行了理论分析和推导。基于理论分析,推导出超声导波盲区的量化范围;总结出缺陷反射波形的五种常见模态转换形式,分析了超声导波盲区缺陷波形的叠加规律:3.提出基于第Ⅰ、Ⅱ监测时域区间差值包络相关运算的盲区缺陷定位算法。通过将接收信号中第Ⅰ、Ⅱ监测时域区间波形与仿真波形包络进行相关运算,判断缺陷位置,并通过实验验证了其有效性;4.提出基于时频转换方法的缺陷形状识别算法。以经典的方形、三角形和圆形形状的缺陷为例,先对接收波形采用时频转换PWVD算法得到第Ⅰ、Ⅱ监测时域区间的时频图,再采用卷积神经网络算法进行损伤分类识别。论文采用仿真方法建立了1200张三种形状的中间伤和边界伤样本库,测试结果表明,中间缺陷和边界缺陷分类的识别准确度分别为0.89和0.85。综上所述,本文从方钢二维等效模型、超声导波盲区相关理论和缺陷检测算法等方面进行了研究,相关研究结果为超声导波盲区检测理论和方法提供一定的参考。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TG115.285
【部分图文】：

西安理工大学博士学位论文2(a)德国埃舍德高速列车事故现场(b)韩国江源道高速列车事故现场图1-1列车脱轨造成的重大事故Fig.1-1Seriousaccidentscausedbyaderailmentofatrain(a)韩国首尔市圣水大桥事故现场(b)中国武夷山公馆大桥事故现场图1-2桥梁坍塌造成的重大事故Fig.1-2Seriousaccidentscausedbythecollapseofabridge为了解决上述无损检测技术的缺点，以实时在线方式提供动态评估结果的大结构健康监测技术应运而生[6]。随着近代多学科交叉融合模式蓬勃发展，力学、材料学、计算机、信号处理、人工智能、深度学习等学科融合，使得结构健康监测得到进一步发展，对大型结构及设备的自动化智能化检测日趋成熟。充分利用多种传感器形成固定功能源件，对检测对象进行连续、实时、在线的大范围监测，基于长时间段获取的测量结果，对多种环境情况下被测对象隐藏异常状态提供性能评价标准及评估预测结果，为专业的工程技术人员提供较为全面的结构健康信息，帮助他们有效地完成相应维护工作。结构健康监测对于大型工程结构和设备故障修理以及维护有重要的意义[7]，在降低人工维护费用的同时，提高了大型结构安全检测的可靠性，并且在故障预测和事故预警等方面有进一步深入应用的潜力。相对于传统结构健康监测技术中庞大、笨重、冗余的检测方式，新的检测技术越来越注重采用轻便、快捷以及检测范围广的智能化检测方法。新型技术中最具代表性的就是应用于结构伤损检测的超声导波技术，该技术是目前NDT/SHM领域最热门的前沿技术之一。近十年，超声导波理论分析以及仿真方面的研究飞速前进，相关领域的论文及课题研究硕果丰盛，同时在实际质检应用技术方面也取得了长足的发展。美国无损检测学会(AmericanSocietyforNondestructiveTesting,ASNT)、美?

西安理工大学博士学位论文12图2-1频散现象示意图Fig.2-1Schematicdiagramofthedispersionphenomenon根据超声导波的频散特性，对于几何形状与物理属性确定的传播媒介，不同频率的超声导波其相速度也不同；但在一定的导波频率下，单一模态的导波相速度是唯一的，群速度也为恒定值。由于材质的特殊、几何形状的复杂、弹性介质的不连续性，使其具有无限种类的导波模态特性，这种在相同频率下存在多种模态的性质称作导波的多模态特性。例如在钢轨结构中的超声导波具有多模态。除此之外，在不同激励方式、衰减系数、振型等特征影响下，也均会导致多模态特性的产生。当导波群速度差异越大，导波模态之间的差异越大。鉴于超声导波的多模态特性，在激励所需特定导波模态时，可能会同时激发出多个不同模态，因此为有助于导波信号的特征提取，一般应选取与其它模态速度差异较大的导波模态。2.1.3超声导波折射反射特性当超声导波传播到两种物体界面时，会发生反射、折射以及模态转换现象。超声导波的激励入射方式对于超声导波的检测源有非常重要的影响，关乎整体检测的实际效果。入射是边界传播问题，主要涉及两种界面间的反射和折射特性理论，具体分析超声导波源入射两种介质条件变化，对超声导波实际导波波形的影响。一、界面边界条件界面边界条件对波在界面上的反射和折射有重要的影响。一般情况下，两种材料的连续界面可分为刚性界面、滑移界面和真空界面。若建立如图2-2所示的坐标系，图中x0为界面，1x方向与界面平行,3x为界面法线方向,03x部分为介质1,03x部分为介质2，平面03x为两种介质的界面。

西安理工大学博士学位论文14csccSSII1sinsin)()()()((2.6)式中：c)(I为入射波波速；c)(S为散射波波速；c为入射波和散射波沿界面的共同波速。图2-3Snell定理的慢度图Fig.2-3SlownessgraphofSnell"stheorem2.1.4超声导波衰减特性超声导波在长距离传播中，为准确地分析预测超声波的形变化情况，必然考虑整个振动情况中的衰减特性。弹性介质中的超声波，随着传播距离的增加，由于能量损失使得波的振动具有明显的衰减现象。目前研究分析引起超声衰减的原因主要集中在三个方面：一、波束扩散引起的扩散衰减超声导波在介质中的传播距离增加时，波的能量会逐渐扩散，使得有效传播途径中能量强度逐渐减小，该种声能损耗现象称为扩散衰减。扩散衰减主要与声源特点的相关，不受传播介质属性影响。依据声源波振面的几何形状，超声波可分为平面波、柱面波及球面波。在声源的远场中，球面波声场中质点的振幅与声波的传播距离成反比，而声压与振幅成正比，因此球面波的声压与声波传播距离成反比；柱面波声场中质点的振幅与声波传播距离的平方根成反比，由于声压与振幅成正比，因此柱面波的声压与声波传播距离的平方根成反比；对于平面波，波束传播时相互平行而不扩散，因此声压并不随传播距离而变化，不会发生扩散衰减。二、传播介质吸收引起的吸收衰减通常传播介质的质点间存在一定的粘滞性，介质的振动会使得质点间发生内摩擦，进而导致超声波能量发生一定的损耗。介质本身是一个热导体，能量会在介质中的稠密与稀疏部分进行热传递，则超声波的能量会进一步发生衰减。这种由于介质质点间发生内摩擦和热传导导致声能衰减、损耗的现象称为吸收衰减。超声波的吸收衰减在非均匀介质中比在均匀介质中更为严重。通常认为超声波吸收衰减与
【参考文献】

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本文编号：2870600