华科大无损检测新技术课件08超声导波检测新技术

课程：无损检测新技术超声导波检测新技术无损检测研究组课程大纲引子+概述导波基本理论+传播特性导波检测系统实现导波的应用实例及前景本课题组相关方向介绍课程大纲引子+概述导波基本理论+传播特性导波检测系统实现导波的应用实例及前景本课题组相关方向介绍MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态MATLAB数值仿真纵向模态1引子+概述什么是导波？（波导）1引子+概述——定义导波(Guidedwaves):一种以超声或声频率在波导中平行于边界传播的弹性波，与传统超声检测的恒定波速相比，导波检测中波速会随着波的频率和构件几何尺寸变化发生显著变化。1引子+概述——优缺点激励传感器接收传感器缺陷弹性波导波检测技术缺陷传感器扫描方向传统检测技术（超声，漏磁等）检测区域优点1引子+概述——优缺点缺点——多模态（信号识别难度大）Phasevelocity(km/s)fd=1.51引子+概述——优缺点缺点——频散（缺陷定位难度大）1引子+概述——起源工程类为比较新兴的一种技术1引子+概述——国外研究机构J.L.Rose，ThePennsylvaniaStateUniversity,USAP.

Cawley&M.Lowe,ImperialCollegeLondon,UKH.

Kwun,SouthwestResearchInstitute,USA1引子+概述——国内研究机构北京工业大学华中科技大学无损检测实验室课程大纲引子+概述导波基本理论+传播特性导波检测系统实现导波的应用实例及前景本课题组相关方向介绍2导波基本理论基本：固体弹性力学固体弹性动力学其他：电磁场、声学光学、多场耦合2导波基本理论-弹性力学基本概念导波主要来源于材料的弹性假设连续性假设（密度、应力、应变、位移）均匀性假设（同一类型、均匀构成）各向同性假设（各方向物理性质相同）小变形假设（高阶小量）方程汇总

平衡方程几何方程本构方程2导波基本理论-弹性力学理论平衡方程

采用张量符号与下标记号法

应力张量

各点应力及体力的相互关系

2导波基本理论-弹性力学理论几何方程物体变形分析坐标

研究物体中任一微小线段的变形状态，得到三维问题的应变位移关系式

用张量符号可缩写为

应变位移关系式2导波基本理论-弹性力学理论本构方程在三维应力状态下，描绘一点处的应力状态需要9个应力分量，与之相应的应变状态也要用9个应变分量来表示。在线弹性阶段应力与应变间有线性关系存在，但在一般情况下任一应变分量要受9个应力分量的制约。事实上，由于应力张量与应变张量的对称性，

9个应力分量与9个应变分量中独立的分量均仅各有6个。于是，对于均匀的理想弹性体。上述关系式应有如下形式为弹性常数。由材料的均匀性可知，与坐标x,y,z无关。

应力与应变之间的关系2导波基本理论-弹性力学理论采用张量表示法

建立了应力与应变之间的关系，称为广义胡克定律或弹性本构方程，在式中弹性常数共有36个，这36个常数并不是独立的，对于各向同性材料独立的弹性常数只有2个。

本构方程2导波基本理论-弹性力学理论方程汇总

方程1方程2方程3平衡方程几何方程本构方程2导波基本理论-弹性力学理论2导波基本理论-弹性力学理论求解弹性力学问题目的：求出物体内各点的应力和位移。问题提法：其中应力分量、应变分量、位移分量等15个未知函数要满足平衡方程、几何力程、本构方程这15个泛定方程，在边界上并要满足给定的全部边界条件。边界条件：应力边界条件，位移边界条件和混合边界条件三种，边界条件的个数必须给得不多也不少。对应边值问题及解法2导波基本理论-弹性力学理论第一类边值问题：给定物体的体力和面力，即所谓边界应力已知的问题；(应力法)第二类边值问题；给定物体的体力和物体表面各点的位移，即所谓边界位移已知的问题；(位移法)第三类边值问题：在物体表面上一部分给定面力，其余部分给定位移(或在部分表面上给定外力和位移关系)的条件下求解上述问题，即所谓混合边值问题。(混合法)问题提出及解法2导波基本理论-弹性波理论一个波动总是受到扰动源的激发而产生并通过介质而传递的，所以它既携带着扰动源的信息，又包含着介质本身的特征。介质本身的波动性质——波的传播问题特定扰动的传播规律——波的激发问题弹性动力学行波及波动方程一维波动方程

三维的波动方程

行波：沿一个方向，以固定的速度c并保持其原来形状的传播

解的形式频率单一2导波基本理论-弹性波理论群速度和相速度2导波基本理论-弹性波理论由两个振幅相同而频率略有差别的余弦简谐波所组成的波是最简单的波群。

一个是调制波传播的速度，一个是载波传播的速度。前者称为群速度（能量），即波群的传播速度，也就是位移峰值传播的速度，用U表示；后者称为相速度，用c表示。

弹性动力学主要研究弹性物体对动力荷载的响应。弹性动力学的主要任务：从连续介质最基本的定律出发，建立描述物体运动的支配方程，并由此求解物体的动力响应。不仅是空间位置的函数，而且是时间的函数。出发点：连续介质力学的质量守恒，线动量守恒，角动量守恒以及能量守恒等基本定律。弹性力学的基本方程中除平衡方程外的几何方程和物理方程（本构关系）均可以直接应用。惟一需要重新考虑的是物体的运动方程。

弹性动力学2导波基本理论-弹性波理论运动方程：几何方程：

物理方程：第一类问题（位移边值问题）第二类问题（应力边值问题）第三类问题（混合边值问题）弹性动力学2导波基本理论-弹性波理论不计体力的波动方程波动方程2导波基本理论-弹性波理论等容积波的传播速度膨胀波的传播速度标量势标量函数矢量势矢量函数Lame分解附加约束条件

2导波基本理论-弹性波理论2导波基本理论-传播特性频散非频散2导波基本理论-传播特性频散频散2导波基本理论-传播特性频散2导波基本理论-传播特性频散曲线2导波基本理论-传播特性多模式Phasevelocity(km/s)ModesPhaseVelocity(km/s)Angle(°)F(4,3)7.23322.17F(3,3)6.14326.39F(2,3)5.60929.13F(1,3)5.34930.69L(0,2)5.27031.20F(4,2)3.60649.21F(3,2)3.42852.79F(2,2)3.31455.46F(1,2)3.25157.11F(4,1)2.7780.25fd=1.52导波基本理论-传播特性模式选择2导波基本理论-传播特性模式转换2导波基本理论-传播特性缺陷相互作用(检测机理）2导波基本理论-传播特性缺陷相互作用(检测机理）2导波基本理论-传播特性缺陷相互作用(检测机理）2导波基本理论-板中弹性波理论板波——LAMB波2导波基本理论-板中弹性波理论LAMB波频散方程2导波基本理论-板中弹性波理论板波频散曲线2导波基本理论-板中弹性波理论板波板波2导波基本理论-板中弹性波理论2导波基本理论-圆柱体弹性波理论轴向导波沿轴向传播的导波是导波的一种主要传播形式，当遇到缺陷时，即有反射波返回，通过检测缺陷反射波或透射波，可以实现缺陷检测，并且由于波导结构限制，利用导波可以实现远距离快速检测

对位移场进行Stokes－Helmhlotz分解

将u代入运动方程，并利用下列等式

则运动方程可以写成

可以简化为以下两个方程

2导波基本理论-圆柱体弹性波理论uθ=0，ur和uz与θ无关2导波基本理论-圆柱体弹性波理论纵向模态导波ur=uz=0，且

2导波基本理论-圆柱体弹性波理论扭转模态导波2导波基本理论-圆柱体弹性波理论轴向导波-三种模态2导波基本理论-圆柱体弹性波理论周向导波柱面纵向超声导波常用于检测管道上的周向缺陷，但其对管道上的纵向缺陷不敏感，而在实际的工程构件中，环状构件（如轴承）沿其径向生长和扩展的疲劳裂纹会对结构安全产生很大影响，严重时会使构件失效。课程大纲引子+概述导波基本理论+传播特性导波检测系统实现导波的应用实例及前景本课题组相关方向介绍系统结构框图功率放大器门控电路信号发生单元便携计算机信号预处理电路放大滤波电路激励传感器接收传感器导波检测系统构件检测系统主机数据采集单元3导波检测系统实现双工器3导波检测系统实现-原理压电效应压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象。1880年由皮埃尔·居里(PierreCurie)和雅克·居里（JacquesCurie）兄弟发现。压电效应有两种，正压电效应（机械能转为电能）逆压电效应（电能转为机械能）。物理原理：压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。3导波检测系统实现压电陶瓷--PZT（锆钛酸铝）压电传感器（与传统超声相比频率低）3导波检测系统实现基于压电效应导波优缺点3导波检测系统实现耦合效率高实现简单可聚焦接触检测表面需要耦合剂探头一致性差3导波检测系统实现压电导波的模态选择Phasevelocity(km/s)ModesPhaseVelocity(km/s)Angle(°)F(4,3)7.23322.17F(3,3)6.14326.39F(2,3)5.60929.13F(1,3)5.34930.69L(0,2)5.27031.20F(4,2)3.60649.21F(3,2)3.42852.79F(2,2)3.31455.46F(1,2)3.25157.11F(4,1)2.7780.25fd=1.5磁致伸缩效应3导波检测系统实现焦尔(Joule)1842年发现，故又称为焦尔效应逆磁致伸缩效应维拉里(Villari)1865年发现，故又称为维拉里效应3导波检测系统实现3导波检测系统实现磁致伸缩传感器3导波检测系统实现磁致伸缩导波检测优缺点（非接触式）非接触实现简单适合高温耦合效率低无法聚焦仅铁磁性材料3导波检测系统实现磁致伸缩导波检测优缺点（接触式）耦合效率高适用长期监测适合高温接触检测表面无法聚焦传感器成本高激励传感器接收传感器磁致伸缩导波模态选择-纵向模态3导波检测系统实现

群速度频散曲线检测信号STFT时频分析3导波检测系统实现纵向模态验证

结构图

原理图3导波检测系统实现磁致伸缩导波模态选择-扭转模态群速度频散曲线检测信号STFT时频分析3导波检测系统实现扭转模态验证3导波检测系统实现-原理电磁超声-机理洛伦兹力(Lorentzforce)是一运动中的带电粒子在电场与磁场中所受的力。亨德里克·安东·洛伦兹(Hendrik

Antoon

Lorentz)3导波检测系统实现电磁超声-实现3导波检测系统实现电磁超声-传感器3导波检测系统实现非接触模态选择简单适合高温提离距离小设备成本高仅适合金属材料电磁超声优缺点3导波检测系统实现电磁超声-模态选择shearwavesnormaltothesurfaceobliquelypropagatingLorSVwaves,Rayleighwaves,etalSHwavesgrazingorobliquelypropagating3导波检测系统实现-原理激光超声-机理Thephysicalprincipleisofthermalexpansion(alsocalledthermoelasticregime)orablation3导波检测系统实现激光超声-系统3导波检测系统实现激光超声-系统3导波检测系统实现激光超声优缺点非接触远距离工作不受区域限制不能有包覆层设备成本高环境要求高3导波检测系统实现激光超声-模态选择薄板中的Lamb波厚板中的Rayleigh

波光源聚焦半径脉冲宽度的变化课程大纲引子+概述导波基本理论+传播特性导波检测系统实现导波的应用实例及前景本课题组相关方向介绍4导波的应用实例及前景导波检测仪器-国外TWI,TeletestSWRI,MsSR3030导波检测仪器-国内4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景管道检测Insulatedpipes–Limitremovalinsulation4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景管道检测4导波的应用实例及前景带包覆层架空管道

结构示意图

4导波的应用实例及前景4导波的应用实例及前景吊桥钢缆的检测锚杆4导波的应用实例及前景铁轨检测4导波的应用实例及前景铁轨检测4导波的应用实例及前景京珠和沪蓉高速共用段4导波的应用实例及前景斜拉索A17J174导波的应用实例及前景斜拉索4导波的应用实例及前景钢绞线、板等其他各种边界的物体其他未知的应用领域课程大纲引子+概述导波基本理论+传播特性导波检测系统实现导波的应用实例及前景本课题组相关方向介绍5本课题组相关方向介绍金纪东:基于磁致伸缩效应的无损检测技术研究,2002.6(硕士)王悦民:基于磁致伸缩效应的管道导波无损检测理论及应用研究,2005.4(博士)柯岩:基于磁致伸缩导波的钢管无损检测实验研究,2006.4(硕士)王良云:磁致伸缩导波检测技术实验研究,2008.5(硕士)付晓明:超声导波频散曲线获取方法的研究,2008.5(硕士)徐江:磁致伸缩导波无损检测理论及应用研究,2008.12(博士)陈卫东:杆状构件导波检测的有限元模拟,2009.4(硕士)邹君:基于混沌振子的磁致伸缩导波信号处理方法,2009.4(硕士)在研研究生：汤欢、熊红芬、孙鹏飞其他参与人员程顺峰、夏志敏、黄琛、黄河等实验室历年来的研究人员5本课题组相关方向介绍开发的仪器设备5本课题组相关方向介绍应用-管道

5本课题组相关方向介绍应用-管道5本课题组相关方向介绍

9.4mm9.0mm应用-管道5本课题组相关方向介绍

10.3m50.2m11.5m56.2m应用-管道