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超声兰姆波斜入射裂纹时的散射特性

机械工程学报 2013年第4期49卷 6-12页

作者：郑阳何存富周进节吴斌北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124 中国特种设备检测研究院北京100013

裂纹是导致众多结构失效的主要原因之一,采用超声兰姆波可有效地对板类结构中的裂纹等缺陷实现定位,但目前的技术尚无法实现对缺陷精细特征的测量。研究超声兰姆波与缺陷的交互作用,可为实现缺陷高精度检测奠定理论基础。采用散射系数... 详细信息

裂纹是导致众多结构失效的主要原因之一,采用超声兰姆波可有效地对板类结构中的裂纹等缺陷实现定位,但目前的技术尚无法实现对缺陷精细特征的测量。研究超声兰姆波与缺陷的交互作用,可为实现缺陷高精度检测奠定理论基础。采用散射系数矩阵表征弹性波与缺陷的交互作用,对兰姆波斜入射到裂纹时的散射特性进行仿真和试验研究,结果表明其散射场在周向上的分布并不均匀,有明显的波束指向性。随着入射角从0°变化到90°,波束指向角呈非单调性变化,且散射波能量迅速减小。当入射角为0°和90°时,S矩阵有明显的对称性,据此可测量裂纹的扩展方向。利用斜入射时裂纹散射场的特征可以设计合理的成像算法及传感器布置方案,以更有效地实现超声兰姆波对板类结构中裂纹的精细检测。

关键词：散射系数矩阵兰姆波 S0模态斜入射裂纹

基于机器学习的反射阵天线单元电磁响应快速预测方法

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基于机器学习的反射阵天线单元电磁响应快速预测方法

作者：时李萍三峡大学

学位级别：硕士

近年来,反射阵天线在许多应用领域已经成为一个具有低成本、高可靠性的技术解决方案,包括卫星通信、微波通信、航天航空技术等。与以往的反射面天线相比,新型反射阵列天线的反射面为平面,结构简单,便于加工、制造和运输,无需复杂的功分... 详细信息

近年来,反射阵天线在许多应用领域已经成为一个具有低成本、高可靠性的技术解决方案,包括卫星通信、微波通信、航天航空技术等。与以往的反射面天线相比,新型反射阵列天线的反射面为平面,结构简单,便于加工、制造和运输,无需复杂的功分馈电网络等特征。同时可重构反射阵天线的出现,使天线能够改变独立辐射单元基本工作特性以适应不同的工作需求。然而,由于没有解析解,合成这种高性能反射阵天线是一项非常具有挑战性的任务。传统的方法是采用电磁仿真软件来计算反射阵天线单元的散射矩阵,常用的软件有HFSS和CST,用它们计算得到的结果是非常准确的。但是,仿真所需时间会随着天线单元的自由度成指数增长,不利于我们对天线性能的实时分析,此外还需要足够的存储空间。因此,它们可能不会用于实际的天线设计和优化中。为了解决传统全波仿真方法所带来的计算时间和存储问题,本文基于现已有的成熟的机器学习相关理论,主要研究了机器学习在金属反射阵天线、石墨烯可重构贴片天线和石墨烯可重构反射阵天线中的应用,以加快天线的设计和优化。主要的研究工作如下:(1)研究了基于支持向量回归(Support Vector Regression,SVR)的反射阵天线单元电磁响应预测问题。首先将具有周期性间隔的无源反射阵天线单元的散射系数的计算转换为回归估计问题,然后通过SVR建立分析模型以快速预测天线单元的电磁响应。为此,使用全波模拟软件CST来获取反射阵天线单元的散射系数矩阵的一组随机样本,该样本用于SVR训练。在相同条件下,还使用径向基函数网络(Radial Basis Function Network,RBFN)来预测天线单元的电磁响应,比较结果表明了SVR算法在反射阵天线单元电磁响应预测中的有效性。(2)研究了基于SVR的石墨烯可重构贴片天线电磁响应预测问题。针对传统石墨烯可重构天线辐射特性全波模拟耗时问题,将SVR这一机器学习方法用于石墨烯贴片天线参数快速重构预测。将石墨烯贴片天线不同参数(贴片尺寸、化学势、频率等)下的电磁响应转化为一个矢量回归问题。以天线单元参数为输入,相应S参数为输出,建立回归模型,利用全波仿真软件CST建立SVR训练数据集和测试数据集,实现石墨烯可重构天线单元电磁响应的快速预测。算例中通过对S参数的预测,并与RBFN和CST的结果比较,验证了方法的有效性。(3)研究了基于深度学习的石墨烯可重构反射阵天线单元电磁响应预测问题。鉴于前面两项工作运用的SVR算法在计算效率方面与RBFN相比并不突出,则考虑将深度学习算法中的卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)运用到本节的研究中。该方法首先将石墨烯反射阵天线的输入向量(贴片几何尺寸,化学势,频率,入射角等)进行离散化,然后将数据预处理成适合CNN训练的二维图片,最后用CNN训练模型代替广泛的全波仿真计算,计算石墨烯反射阵天线的电磁响应。综合对比了CNN、SVR和RBFN三种算法的训练结果,实验结果表明,CNN在石墨烯可重构反射阵天线的电磁响应预测中具有较好的表现,在准确度上有了进一步的改善,且时间上相较于前两项工作所采用的SVR算法,提升了接近35.6%,验证了该方法的有效性。

关键词：机器学习反射阵天线石墨烯可重构天线散射系数矩阵快速预测

基于超声导波的对接焊缝板状结构腐蚀深度量化研究

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基于超声导波的对接焊缝板状结构腐蚀深度量化研究

作者：陈丽麟重庆大学

学位级别：硕士

随着经济的快速发展,国家对能源尤其是石油和天然气的需求量日益增加。常压大型储罐是石油化工企业贮存石油、天然气产品的关键设备,使用过程中不可避免会发生腐蚀,进一步导致经济损失和生产安全问题。超声导波检测技术具有操作简单、... 详细信息

随着经济的快速发展,国家对能源尤其是石油和天然气的需求量日益增加。常压大型储罐是石油化工企业贮存石油、天然气产品的关键设备,使用过程中不可避免会发生腐蚀,进一步导致经济损失和生产安全问题。超声导波检测技术具有操作简单、检测距离远和缺陷检出能力强的优点,适用于储罐结构的检测。然而,储罐板状结构中的焊缝必然会引起导波能量衰减和频散,声波信号复杂度增加,对腐蚀缺陷深度的量化识别造成严重影响。本文基于弹性波理论,分析Lamb波与焊缝、腐蚀缺陷等非连续结构的声场分布,结合散射系数矩阵法,分析焊缝尺寸与Lamb波声场特点变化规律,选择对焊缝结构不敏感而缺陷深度敏感的特征参量,共同构成深度量化模型输入特征向量,利用改进后的粒子群-随机森林回归深度量化模型,实现对接焊缝板状结构中的腐蚀深度量化。本文的主要工作内容包括以下几个部分:首先,分析Lamb波与焊缝和缺陷结构交互后的声波传播规律。基于弹性声波原理,推导Lamb波在各向同性和各向异性介质中的声波传播方程,分析Lamb波的多模态和频散特点;利用平均声能密度分析Lamb波与非连续结构交互后的声波矩阵,获取二维平面内的反射、透射波波速方程;分析Lamb波以不同角度入射焊缝结构后的透射声场分布,为后续研究奠定理论基础。其次,研究焊缝尺度对Lamb波声场的影响规律。利用数值分析方法,建立三维对接和搭接焊缝板状结构模型,结合散射系数矩阵法获得声场各角度声波信号;分析声波幅值、波形相似度和频率特征变化特性,探讨声波与焊缝宽度、余高以及焊脚尺寸之间的变化规律;搭建对接焊缝板状结构Lamb波检测实验平台,进一步验证焊缝尺寸与声场分布规律,优化模型输入特征向量样本。然后,研究基于同声源信息融合的腐蚀深度特征参数提取方法。利用多个同声源传感器的空间和幅值信息进行数据层上的加权融合;结合焊缝板状结构Lamb波透射声场特点,在时域上提取峭度因子、偏度系数等无量纲特征参数,在时频域上利用小波包分析方法,提取多频段能量系数;利用皮尔逊系数和单调性系数选择特征中对焊缝不敏感,而与深度相关性高,且彼此冗余性低的特征值组成特征向量,为后续缺陷深度量化模型提供输入样本数据。最后,研究对接焊缝板状结构腐蚀深度定量检测方法。采用随机森林回归(Random Forest Regression,RFR)模型建立腐蚀深度量化模型,结合改进后的粒子群优化算法对量化模型参数进行优化,以提高深度量化准确度;此外,利用实验室研制的储罐结构健康监(检)测系统进行实际现场应用测试。测试结果表明,改进后的粒子群-随机森林腐蚀深度量化方法能够有效实现储罐结构中腐蚀深度定量评估。

关键词：腐蚀深度量化 Lamb波对接焊缝散射系数矩阵

Lamb波在板中对接焊缝处的传播特性和缺陷检测研究

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Lamb波在板中对接焊缝处的传播特性和缺陷检测研究

作者：崔辰悦北京工业大学

学位级别：硕士

焊接在大型石油储罐的制造和使用中占据着非常重要的地位，焊缝缺陷会导致大型石油储罐发生重大事故，焊接质量的好坏会对产品使用的安全可靠性带来直接影响。本文建立三维有限元仿真模型，分别采用焊缝端部激励法和散射系数矩阵法，研... 详细信息

焊接在大型石油储罐的制造和使用中占据着非常重要的地位，焊缝缺陷会导致大型石油储罐发生重大事故，焊接质量的好坏会对产品使用的安全可靠性带来直接影响。本文建立三维有限元仿真模型，分别采用焊缝端部激励法和散射系数矩阵法，研究了超声Lamb波在对接焊缝处的传播特性，通过实验验证了仿真结果的可靠性，针对焊缝上及其周边缺陷进行了检测，分析了对接焊缝余高、焊缝宽度及杨氏模量变化对Lamb波传播规律的影响，不仅为对接焊缝的质量评估提供了一种参考方法，还可在一定程度上避免由焊缝缺陷造成的储罐泄漏事故。本文具体研究工作如下：（1）针对Lamb波在焊缝处的传播特性，建立对接焊缝的三维有限元仿真模型，采用焊缝端部激励的方式进行数值仿真研究，产生了能量大衰减慢的焊缝导波模态，解释了Lamb波在对接焊缝处的能量束缚和能量衰减现象，试验研究验证了上述有限元仿真计算结果的正确性，利用该方法对焊缝上及其周边的圆孔缺陷和槽型缺陷进行了定位研究。（2）采用双元激励法产生单一的S0模态，设置吸收边界避免边界回波的影响，利用高斯滤波消除高阶振动噪声，通过有限元仿真和实验的方法研究了Lamb波在对接焊缝处的散射特性，建立三维有限元仿真模型研究了Lamb波与圆孔缺陷和槽型缺陷的交互作用。（3）建立对接焊缝的三维有限元仿真模型，采用焊缝端部激励法和散射系数矩阵法分别分析了对接焊缝的余高、焊缝宽度及杨氏模量变化对Lamb波传播规律的影响，得出了三个影响因素最适宜的取值范围，使其易于利用Lamb波进行检测，为对接焊缝的质量评估提供了一种参考方法。

关键词： Lamb波对接焊缝有限元分析焊缝导波模态散射系数矩阵

板类结构中Lamb波与典型缺陷的交互作用研究

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板类结构中Lamb波与典型缺陷的交互作用研究

作者：张志勇电子科技大学

学位级别：硕士

飞机蒙皮、船体、桥梁支撑板、压力容器等板类结构在生产制造及后期使用过程中不可避免的会产生孔洞、裂纹、分层等缺陷,这些缺陷的扩展将会造成破坏性的事故,因此对板类结构健康监测技术的研究具有重大工程价值和理论研究意义。由于Lam... 详细信息

飞机蒙皮、船体、桥梁支撑板、压力容器等板类结构在生产制造及后期使用过程中不可避免的会产生孔洞、裂纹、分层等缺陷,这些缺陷的扩展将会造成破坏性的事故,因此对板类结构健康监测技术的研究具有重大工程价值和理论研究意义。由于Lamb波能够对板类结构进行快速、精确和大面积检测,本文采用三维有限元法,结合散射系数矩阵与人工蜂群算法,将Lamb波应用于大型板类结构健康监测研究。本文主要研究内容如下:(1)通过修改蜜源边界条件和扩大跟随蜂蜜源变化维度,本文提出了一种基于高斯超声回波模型的改进人工蜂群算法(MABC算法)。对含有高斯白噪声的单波形高斯回波信号,本文从收敛速度和最佳目标函数值两个方面对原始人工蜂群算法(ABC算法)、只改进了参数维度的人工蜂群算法(DABC算法)以及MABC算法进行了参数估计性能评估,结果表明MABC算法具有更好的整体性能,随后本文将MABC算法应用于Lamb波检测信号的参数估计和模态分离研究。(2)根据弹性理论,分别建立了以铝板为代表的各向同性介质板和以碳纤维复合材料单层板为代表的各向异性介质板的Lamb波三维有限元仿真模型。鉴于Lamb波检测信号存在多模式特性和噪声干扰,本文使用MABC算法对仿真模型中采集的Lamb波检测信号进行了参数估计和模态分离,将预处理后的信号与散射系数矩阵理论相结合,对板中圆孔型典型缺陷进行了特征识别与测量研究。(3)本文分析了Lamb波在板中的衰减特性,推导了Lamb波在各向同性介质板中的衰减方程。鉴于传统稀疏传感器阵列规则布置的局限性,本文提出了一种基于超声衰减系数的散射系数位移补偿算法,利用超声衰减系数将随机稀疏传感器阵列求解的散射系数补偿到以缺陷为中心的单位圆上。通过上述研究,获得了如下研究成果:首先,将改进的人工蜂群算法应用于Lamb波检测信号的参数估计和模态分离研究,实现了检测信号的预处理,为后续工作奠定了基础;然后,将改进的人工蜂群算法与散射系数矩阵理论相结合,用于研究板类结构中Lamb波与典型缺陷的交互作用,实现了缺陷特征的识别和测量;最后,利用基于超声衰减系数的散射系数位移补偿算法对Lamb波检测信号进行了后处理,实现了随机传感器阵列对板中缺陷特征的检测。上述三个部分组成了一个研究板类结构中Lamb波与典型缺陷交互作用的完整方案。

关键词：兰姆波人工蜂群算法稀疏阵列散射系数矩阵超声导波

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裂纹缺陷超声阵列识别方法研究

裂纹缺陷超声阵列识别方法研究