基于压电陶瓷传感器的管道损伤识别

为研究外荷载冲击作用下管道裂纹损伤的识别方法,以自制的落球控制装置对空管和充水埋土管道2种不同服役工况下的健康管道、单损伤管道以及多损伤管道进行荷载冲击试验.利用压电陶瓷传感器拾取外荷载冲击不同损伤工况下的空管以及充水埋土管道所产生的应力波信号,先以小波包能量公式分别健康与损伤管道上传感器监测信号的能量,再根据均方根偏差计算得到损伤指数,基于损伤指数变化进行管道损伤识别可行性研究.结果表明,空管损伤指数随着传感器至损伤距离的增大而减小,同时损伤识别的灵敏度也随之降低,空管的损伤指数随着损伤轴向宽度的增大而增加;以损伤指数为判定指标,不仅能有效定位空管单个裂纹损伤和多个裂纹损伤的存在和存在位置,还能有效识别裂纹损伤的严重程度;改变管道的服役工况,基于该指标仍能实现不同服役工况下管道单损伤与多损伤的存在位置及损伤严重程度的识别.以损伤指数为指标来进行管道损伤识别的方法切实可行且具有普遍性.该研究成果为服役管道的健康监测提供了重要参考.     

基于相似度的管道泄漏负压波定位算法

常用的负压波管道泄漏监测技术是通过计算压力下降拐点时刻,得到负压波到达上下游的时间差来定位泄漏点位置,但受负压波传播衰减、缓慢泄漏压力变化小、噪声干扰等影响,压力的下降拐点不明显,无法准确计算得到时间差,降低了泄漏点的定位精度。为了减少负压波泄漏监测技术的定位误差,基于管道泄漏上下游同时传播的负压波同源的特点,采用欧氏距离计算上下游负压波之间的相似度,可得到负压波向上下游传播的时间差,进而变换得到泄漏点位置。经现场应用测试,结果表明:该方法可准确定位管道突发泄漏和缓慢泄漏的位置,定位准确度高,弥补了原有的负压波管道泄漏监测技术对较缓慢泄漏定位不准的不足,将原有系统简单升级即可实现性能提升。(图5,表1,参18)     

用超声波对输油管道进行检漏及定位

介绍了压电陶瓷换能器产生和接收超声波的工作原理，当输入电压的频率为谐振频率时，超声波在介质中产生的驻波最强。若管道中出现泄漏，接收换能器的电压立即发生变化，可以根据这种变化发现泄漏，进而按拟合曲线或方程计算出管道泄漏的位置。     

应力波在美国红松立木中传播机理的试验研究

为了解应力波在立木中的传播机理,本试验用3根新砍伐的美国红松原木来模拟立木,用FAKOPP应力波微秒计测量不同横截面上各个网格节点处的应力波到达时间。结果表明:1)在原木中纵截面上,应力波传播时间等值线在开始阶段为倾斜曲线;随着距离的增大,等值线倾斜度逐渐减小,直至最后与原木长度方向近似垂直。2)应力波到达同一个横截面各部位的时间差与传播距离和原木直径有关,传播距离越长,时间差越小;原木直径越小,时间差越小。3)应力波在中纵截面上,原木表层的传播距离与传播时间之间有很好的比例关系。     

压电智能传感器力学模型的建立及数值模拟

以单片压电陶瓷（如锆钛酸铅,简称PZT）晶体、粘贴式和埋入式压电传感器为研究对象,从压电本构方程和结构动力学的振动原理出发,采用集总质量法推导出PZT传感器正压电效应的电荷表达式及等效刚度表达式,建立粘贴式和埋入式PZT传感器的简化力学模型,得到考虑多参数影响的电荷表达式。考虑黏结胶层阻尼吸收能量的作用,建立了胶层阻尼效应影响的传感模型,并求得压电传感器的电压表达式。数值模拟结果表明：在PZT传感模型中,利用压电方程和振动方程联合求解可以快速得到PZT的传感信号,而且PZT片的电压输出特性与作用力的大小及黏结胶层有关。通过测量和分析PZT传感器输出电信号峰值与频率的变化,并与数值分析结果进行对比,证明了运用所建立的传感模型能够有效地模拟检测PZT的正压电规律。     

基于ABAQUS的压电智能骨料参数对灵敏度系数的影响研究

压电陶瓷片材质较脆且容易氧化，需用环氧树脂将压电陶瓷片封装于大理石内形成压电智能骨料后方可投入工程应用。环氧树脂层的厚度和压电陶瓷片的尺寸是影响压电智能骨料灵敏度系数的2个主要参数，为研究这2个参数对压电智能骨料灵敏度系数的具体影响，通过有限元分析软件 ABAQUS对环氧树脂层厚度不同和压电陶瓷片尺寸不同的压电智能骨料分别进行建模模拟分析，探讨参数变化对压电智能骨料的灵敏度系数的影响。结果表明，随着环氧树脂层厚度的增加，压电智能骨料在受到同样荷载作用时其内部输出的电压幅值在不断减小，其灵敏度系数在减小；随着压电陶瓷片边长的增加，压电智能骨料输出的电压幅值呈现增大的趋势，但增大的幅度较小，使压电智能骨料的灵敏度系数增大，但增大幅度较小。     

红松木材结构缺陷对应力波传播参数的影响

通过应力波测试仪对红松木材试件进行的检测试验,研究了木材轴向孔洞的分布、数量和端部孔洞的分布对应力波传播时间、传播速度的影响,并对孔径大小与应力波传播参数之间关系进行回归分析。试验结果表明,应力波传播时间与孔径大小、数量呈正相关,而应力波传播速度与孔径大小、数量呈负相关。端部孔洞对应力波传播参数没有显著影响。     

输气管道泄漏音波的产生及传播特性

对输气管道泄漏音波的产生和传播特性进行研究,分析了泄漏音波产生的形式,获得了音波信号的时域、频域及时频特征。结果显示：泄漏音波主要由介质与管道相互作用产生的单极子、偶极子和四极子声源所引起,表现为时域上能量突变,但所占时域较窄,所占频域较宽,主要能量集中在0-100Hz。利用软件对泄漏音波在特殊管件（弯管、变径、分支）中的传播特性进行模拟研究,并利用高压输气管道泄漏装置进行试验研究,分析了泄漏音波信号的传播规律,确定了影响音波信号衰减的主要因素。结果显示：音波在管内以平面波形式传播,随着传播距离的增大,音波基本呈指数规律衰减,在较低泄漏量下,泄漏音波信号幅值基本与泄漏孔径无关：音波信号经弯管和直管的损失基本为0,经分支和变径管损失较大。根据拟合计算结果,对于现有型号的音波传感器,其理论安装距离可达100km,利于长输管道的泄漏检测。     

气量增加段塞流场中压力波传播特性分析

利用改进后的段塞流跟踪模型对水平管道气量瞬变空气-水段塞流场中的压力波传播特性进行了模拟研究,分析了压力波沿管道的变化规律以及入口初始液相流量和气相流量的变化量对压力波速的影响,并将模型模拟结果与大型多相流试验环道上的试验结果进行了比较.结果表明,该模型能够有效地模拟气量瞬变段塞流场中压力波的传播特性;压力波速沿管道具有衰减特性;气量增加过程中的增压波速沿管道的衰减速率是逐渐降低的.     

应力波在落叶松活立木中传播二维模拟研究

近年来应力波技术用于活立木材质无损检测与评价的研究,受到了广泛的关注。主要研究集中在应力波在活立木中传播速度的测量,即通过应力波波速预测活立木木材质量。目前对应力波在活立木中的传播形式,还缺乏了解。通过二维数值模拟研究应力波在活立木中的传播形式,并将模拟结果与野外测量实验结果对比。树干被看作是正交各向异性圆柱体,应力波沿与树干成45°方向导入,利用COMSOL Multiphysics软件对应力波在树干中传播波阵面进行了模拟计算。模拟计算结果与野外实验结果有很好的一致性,应力波传播波阵面在开始阶段为倾斜曲线,都弯向脉冲力输入点;随着距离的增大,波阵面倾斜度逐渐减小,直至最后与原木长度方向近似垂直。     

考虑大变形和转动惯量效应的多层压电层合壳内波的传播

研究了考虑转动惯量和大变形效应的复合材料压电层合壳内的波传播规律.利用最小势能变分原理(Hamilton原理)建立了波在压电层合壳内传播的非线性动力方程,通过求解特征值得到并讨论了波在压电层合壳内传播特征曲线,数值算例中分析了大变形效应、压电效应和复合材料铺设层数对波传播特征曲线的影响.该方法可用于超声检测技术和医疗检测等压电层合壳体中波传播的研究.     

树木内部应力波传播速度模型

为了提高应力波技术在活立木无损检测应用领域的可行性,分析了应力波在健康树木中的传播规律,并建立了应力波传播速度数学模型。针对银杏Ginkgo biloba等不同树种的健康树木进行了多组实验,并利用树木断层成像技术对提出的应力波传播速度模型进行验证。结果表明:在健康树木中,方向角θ与传播方向速度vT和径向速度vR比值之间的关系为vT/vR≈-0.2θ2+1,与所提出的理论模型吻合,方向角θ与应力波传播速度之间的线性回归模型拟合度较高,决定系数高于0.95。提出的应力波传播速度模型不受树种变化影响。     

考虑横向剪切和转动惯量效应的多层压电层合壳中波的传播

研究了考虑横向剪切及转动惯量效应影响的正交各向异性压电层合壳中的波传播规律。利用Cooper-Naghdi壳体理论建立了波在压电层合壳中传播方程，通过求解特征值得到并讨论了波在压电层合壳中传播特征曲线，分析丁不同的压电层数和厚度比对特征曲线的影响。该方法可用于不同层数、不同厚度、不同母体材料层的壳体中波传播的研究。     

榫卯结构弯曲破坏时声发射衰减特性与源定位

由于木结构榫卯接合的部位属于隐藏部位,当其发生损伤时,肉眼无法观测。为了准确地预测榫卯结构的健康状况, 可以根据榫卯结构在破坏前,木材所释放出来的声发射能量传播特性进行信息源位置的判定。为此, 本研究提出并验证了木材的声发射信号符合能量衰减规律,并且利用能量衰减模型对榫卯结构的声发射源(破坏源)进行定位。首先,采用直径0.5 mm的铅芯为模拟声发射源,探讨了声发射波在木材中的传播和衰减特性,然后进行了榫卯结构弯曲破坏实验,实验中将目标声发射源限定于两个传感器之间,利用两点定位法确定破坏源的位置, 经比较计算值与实测值较一致。结果表明:基于AE信号能量衰减模型和两点定位法进行榫卯结构的损伤定位,能得到较准确的破坏源位置,而且外界环境对结果的影响较小。      

管道磁记忆检测信号与缺陷应力关系的有限元仿真

为了实现对管道磁记忆检测信号与缺陷应力关系的定量研究,建立了含腐蚀缺陷管道的二维有限元仿真模型,给出了应力-磁导率耦合数学模型以及管体应力和地磁场求解控制方程。首先利用ANSYS的应力分布功能,计算求得管体在4.5MPa内压下的应力强度分布,然后根据应力-磁导率数学模型计算求得管体外侧的地磁场分布,表明管体应力与磁导率之间具有一定的耦合关系,证实了有限元模拟技术可以准确捕捉到管体缺陷处的磁应力信号,进而判定管道的缺陷特征。     

木材裂纹尺寸及分布对声发射横波传播特性的影响研究

为探究木材表面裂纹尺寸与分布对声发射横波(transverse wave component of acoustic emission, AE_TW)传播特性的影响,通过锯切方式制作不同尺寸的裂纹,研究沿木材顺纹理方向传播的声发射横波的传播特性。首先,在试件表面锯切出4条具有相同长度而宽度与深度不同的规则裂纹,分别采用铅芯折断和信号发生器模拟产生突发和连续的AE源,并且通过等间距分布在试件表面的5个传感器采集AE信号,采样频率设置为500 kHz。然后,在铅芯折断试验的基础上,依据驻波成分的基频,对原始AE信号进行高通滤波处理,截止频率设置为7 kHz,再采用相关性分析的方法确定AE_TW在固定距离上的传播时差,进而依据时差定位的原理计算其传播速度。最后,通过信号发生器产生不同电压等级的150 kHz脉冲串作为AE源,研究不同裂纹尺寸下的AE_TW能量随距离的衰减规律。结果表明,在无裂纹试件中,AE_TW的平均传播速度为824.4 m·s^-1。而仅改变裂纹深度时,随着裂纹数量的增加其速...     

大口径高压力复杂地形管道变形应力检测方法

中俄东线天然气管道具有超大口径、高钢级(X80)、高压力等级的特点,处于地质活跃的北部冻土与半冻土带,沿线易发生地质灾害,由此而来的非设计载荷会导致管道整体应力水平超过管道应变能力,给管道结构完整性与安全运行带来巨大挑战,采用高精度检测方法测量管道运行期间的应力是对管道进行安全评价的关键。针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,在利用超声LCR波检测管道应力理论及方法的基础上,测量了超声LCR波在X80钢弹性变形及塑性变形中的传播时间,探究了超声LCR波在X80钢弹性变形及塑性变形中的传播规律。在中俄东线天然气管道投产运行之初,形成可靠适用的管道应力测量工程应用技术,为其今后运维中的安全评估提供了技术储备。(图5,参19)     

面向古建筑木构件内部缺陷勘测的应力波临界速度确定

利用Fakopp应力波检测仪对北京市古建筑中较常使用材落叶松、琼楠、杉木进行检测,结合统计学中置信区间估算方法,处理应力波仪检测出的应力波在健康材料中的传播速度,总结出一套古建筑木构件现场缺陷检测的应力波传播临界速度的计算方法,期望利用此方法建立一个应力波速度检测依据,使在今后现场检测当中能快速、准确判断出古建筑木构件中是否存在缺陷及缺陷的位置,以便进一步的检测.     

带压电层圆柱形杆中波的传播

基于Hamilton原理的矩阵形式,得到带压电层圆柱形杆中波传播的基本方程式;采用幂级数的不同幂次近似方法表达杆件中的位移函数;通过变分求得特征方程式;进而求得弹性简谐波在带压电层的圆柱杆件中传播时的频散关系和位移场.通过实例计算,得到了压电圆柱杆件中波传播的频散关系,讨论了压电层对波传播的影响.计算结果表明,这种方法能够得到较好的收敛结果.     

雨滴撞击植物叶片的运动过程监测装置的研制北大核心CSCD

植物对降雨动能的耗散削减是其重要的水土保持机制,然而缺乏相应的观测测量装置,使得对叶片动能的耗散过程认识并不清楚。为了研究植物叶片在雨滴撞击后的运动过程以及叶片运动能量的变化,以聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器为基础,研制有效检测雨滴撞击之后叶片的运动以及能量耗散测定的装置,对女贞叶片在雨滴击打下的振动进行测量并验证该装置可行性。在对雨滴撞击叶片过程仔细分析研究的基础上,进行监测装置的模块化自主设计,整个监测装置由雨滴发生、叶片运动的监测捕捉和信号的收集处理三个模块组成,其中雨滴发生模块可根据实际情况进行取舍(也可直接测定天然降雨)。薄膜传感系统输出的电压信号包含了雨滴撞击,小水滴飞溅以及薄水层扩散等方面信息。系统输出的电压是背景的几倍到几十倍,电压上峰值和雨滴动能存在明显的线性关系(R^(2)=0.959),信号频域分析发现该系统也能有效捕获连续雨滴撞击树叶的振动信号特征。对于不同动能的雨滴,重复之间的变异系数为<10%的弱变异和10%~100%的中等变异,说明整个装置具有良好的系统稳定性。女贞叶片耗散的能量与雨滴输入能量之间具有明显函数关系,叶片所耗散的动能仅占初始雨滴动能的3%~5%,这可能与没有监测以叶柄扭动、振动的过程有关。该装置可监测雨滴撞击叶片所引起的运动情况和叶片对雨滴动能的耗散特征,有利于深入认识植物对降雨动能耗散的机制。