本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種基于特征頻率法計(jì)算超聲導(dǎo)波頻散關(guān)系的方法，屬于超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)選取合適的有限元分析軟件，采用與實(shí)際被測(cè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截面參數(shù)完全一致的模型，對(duì)該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征頻率求解，并統(tǒng)計(jì)不同特征頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)與波數(shù)。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算相速度頻散關(guān)系與群速度頻散關(guān)系，并利用后處理數(shù)據(jù)繪制波結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明專利技術(shù)可以對(duì)任意波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頻散關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，特別是彌補(bǔ)了復(fù)雜截面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)頻散關(guān)系計(jì)算的空白。不需要深厚的編程能力與繁瑣的程序調(diào)試，計(jì)算頻散關(guān)系簡(jiǎn)單實(shí)用。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種，尤指利用有限元分析軟件計(jì)算波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如桿、管、板等)的特征頻率，根據(jù)計(jì)算得到的特征頻率與所對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型與波數(shù)，計(jì)算各個(gè)模態(tài)特征頻率與相速度和群速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而得到該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波傳播的頻散關(guān)系。
技術(shù)介紹
當(dāng)前計(jì)算超聲導(dǎo)波頻散關(guān)系的方法主要是利用程序數(shù)值計(jì)算頻散方程得到頻率與波數(shù)的關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算相速度頻散關(guān)系與群速度頻散關(guān)系，該方法對(duì)于簡(jiǎn)單波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如桿、管、板具有很好的適應(yīng)性；但對(duì)于復(fù)雜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由于邊界條件的特殊性，并不能理論得到其頻散方程，從而無(wú)法計(jì)算頻散關(guān)系。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于，通過(guò)提供一種，對(duì)任意波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波模態(tài)在不同激勵(lì)頻率下的相速度與群速度進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到超聲導(dǎo)波在該模態(tài)的頻散曲線。該方法基于模態(tài)振型與特征頻率的關(guān)系，利用有限元計(jì)算軟件中的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊進(jìn)行求解，根據(jù)實(shí)際波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)進(jìn)行建模，并設(shè)置相應(yīng)的彈性常數(shù)與邊界條件，數(shù)值計(jì)算不同特征頻率所對(duì)應(yīng)的模態(tài)與波數(shù)，相速度可由公式\ = f進(jìn)行計(jì)算，非特征頻率處的相速度可利用相鄰兩特征頻率點(diǎn)相速度插值進(jìn)行計(jì)算，群速度由公式^ 進(jìn)行計(jì)s Ak算，非特征頻率處的群速度可利用相鄰兩特征頻率點(diǎn)群速度插值進(jìn)行計(jì)算。本專利技術(shù)基于特征頻率法超聲導(dǎo)波頻散關(guān)系的計(jì)算方法包括以下步驟1. 1.對(duì)被測(cè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模型截面尺寸完全與實(shí)際一致，長(zhǎng)度方向保留截面最大尺寸的10倍以上；1. 2.選取具有特征頻率計(jì)算的有限元分析軟件，設(shè)置長(zhǎng)度方向的兩端面分別為預(yù)定位移邊界與對(duì)稱平面邊界，其余設(shè)置為自由邊界條件；1. 3.選定欲求解的頻率范圍并預(yù)估最大網(wǎng)格單元尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分；1. 4.將計(jì)算得到的特征頻率根據(jù)模態(tài)振型進(jìn)行模態(tài)區(qū)分與波數(shù)統(tǒng)計(jì)；1.5.根據(jù)步驟1.4中得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由式& =^H十算各模態(tài)在不同特征頻率下的相速度值，利用得到的各個(gè)特征頻率所對(duì)應(yīng)的相速度值繪制相速度頻散曲線；其中，L是模型長(zhǎng)度；f為頻率；k為波數(shù)；1. 6.根據(jù)步驟1. 4中得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由式Cg 計(jì)算各模態(tài)在不同特征頻率s Ak下的群速度值，利用得到的各個(gè)特征頻率所對(duì)應(yīng)的群速度值繪制群速度頻散曲線；其中，Δ f為相鄰頻率；Ak為波數(shù)的差值；1.7.波結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)由后處理結(jié)果中截面沿不同方向的位移量值給出。本專利技術(shù)與現(xiàn)有超聲導(dǎo)波頻散關(guān)系計(jì)算相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)可以對(duì)任意波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波頻散關(guān)系進(jìn)行快速、有效地模擬計(jì)算，特別是彌補(bǔ)了當(dāng)前對(duì)復(fù)雜截面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)頻散關(guān)系計(jì)算的空白。2)不需要深厚的編程能力與繁瑣的程序調(diào)試，計(jì)算頻散關(guān)系簡(jiǎn)單實(shí)用。 附圖說(shuō)明圖1為基于特征頻率法超聲導(dǎo)波頻散計(jì)算的步驟框圖；圖2為二維板模型及邊界條件設(shè)定示意圖；圖3為不同導(dǎo)波模態(tài)振型示意圖；圖4為特征頻率法相速度頻散曲線與理論頻散曲線對(duì)比示意圖；圖5為特征頻率法群速度頻散曲線與理論頻散曲線對(duì)比示意圖；圖6為特征頻率法波結(jié)構(gòu)圖與理論波結(jié)構(gòu)圖對(duì)比示意圖。具體實(shí)施例方式結(jié)合本專利技術(shù)方法的內(nèi)容提供以下板中導(dǎo)波頻散關(guān)系計(jì)算方法實(shí)例，并與理論解進(jìn)行對(duì)比，具體步驟如圖1所示1)由于板結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度，導(dǎo)波在長(zhǎng)度方向傳播時(shí)，可忽略寬度對(duì)其的影響，故將其簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變模型，選取多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL Multiphysics 3. 中的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊進(jìn)行分析。設(shè)置模型長(zhǎng)度為200mm，厚度為4mm，楊氏模量E = 207GI^，泊松比ν =0.四6，密度P = 7800kg/m3 ；邊界條件將上下兩底面設(shè)為自由約束， 左端面設(shè)為預(yù)定位移約束，右端面設(shè)為對(duì)稱平面約束，圖2為求解模型與設(shè)置的邊界條件。2)由該板結(jié)構(gòu)的理論頻散曲線可知，在頻率為800kHz時(shí)的最小相速度值為 2860m/s,即對(duì)應(yīng)的最少波長(zhǎng)為3. 575mm,網(wǎng)格劃分最大尺寸選為0. 5mm。3)欲求的特征頻率數(shù)選為300，特征頻率范圍選為0-800kHz，利用特征頻率默認(rèn)的求解器即可。4)將求解得到的結(jié)果根據(jù)模態(tài)振型歸類，圖3為所求4mm板中特征頻率在800kHz 下存在的導(dǎo)波模態(tài)。將特征頻率與對(duì)應(yīng)的波數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。表1不同導(dǎo)波模態(tài)特征頻率與對(duì)應(yīng)波數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果權(quán)利要求1. 一種，其特征在于包括以下步驟 1.1.對(duì)被測(cè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模型截面尺寸完全與實(shí)際一致，長(zhǎng)度方向保留截面最大尺寸的10倍以上；1. 2.選取具有特征頻率計(jì)算的有限元分析軟件，設(shè)置長(zhǎng)度方向的兩端面分別為預(yù)定位移邊界與對(duì)稱平面邊界，其余設(shè)置為自由邊界條件；1.3.選定欲求解的頻率范圍并預(yù)估最大網(wǎng)格單元尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分；1.4.將計(jì)算得到的特征頻率根據(jù)模態(tài)振型進(jìn)行模態(tài)區(qū)分與波數(shù)統(tǒng)計(jì)；1.5.根據(jù)步驟1.4中得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由式&=^H十算各模態(tài)在不同特征頻率下的相速度值，利用得到的各個(gè)特征頻率所對(duì)應(yīng)的相速度值繪制相速度頻散曲線； 其中，L是模型長(zhǎng)度；f為頻率；k為波數(shù)；1.6.根據(jù)步驟1. 4中得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由式cg =^H十算各模態(tài)在不同特征頻率下的s Ak群速度值，利用得到的各個(gè)特征頻率所對(duì)應(yīng)的群速度值繪制群速度頻散曲線； 其中，Af為相鄰頻率；Ak為波數(shù)的差值；1.7.波結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)由后處理結(jié)果中截面沿不同方向的位移量值給出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于 所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是指超聲導(dǎo)波檢測(cè)領(lǐng)域涉及的所有被測(cè)對(duì)象。全文摘要本專利技術(shù)公開(kāi)了一種，屬于超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)
本專利技術(shù)選取合適的有限元分析軟件，采用與實(shí)際被測(cè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)截面參數(shù)完全一致的模型，對(duì)該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征頻率求解，并統(tǒng)計(jì)不同特征頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)與波數(shù)。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算相速度頻散關(guān)系與群速度頻散關(guān)系，并利用后處理數(shù)據(jù)繪制波結(jié)構(gòu)圖。本專利技術(shù)可以對(duì)任意波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頻散關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，特別是彌補(bǔ)了復(fù)雜截面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)頻散關(guān)系計(jì)算的空白。不需要深厚的編程能力與繁瑣的程序調(diào)試，計(jì)算頻散關(guān)系簡(jiǎn)單實(shí)用。文檔編號(hào)G06F19/00GK102354343SQ201110321658公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日專利技術(shù)者何存富, 劉飛, 吳斌, 顏丙生 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．一種基于特征頻率法計(jì)算超聲導(dǎo)波頻散關(guān)系的方法，其特征在于：包括以下步驟：１．１．對(duì)被測(cè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，模型截面尺寸完全與實(shí)際一致，長(zhǎng)度方向保留截面最大尺寸的１０倍以上；１．２．選取具有特征頻率計(jì)算的有限元分析軟件，設(shè)置長(zhǎng)度方向的兩端面分別為預(yù)定位移邊界與對(duì)稱平面邊界，其余設(shè)置為自由邊界條件；１．３．選定欲求解的頻率范圍并預(yù)估最大網(wǎng)格單元尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分；１．４．將計(jì)算得到的特征頻率根據(jù)模態(tài)振型進(jìn)行模態(tài)區(qū)分與波數(shù)統(tǒng)計(jì)；１．５．根據(jù)步驟１．４中得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由式計(jì)算各模態(tài)在不同特征頻率下的相速度值，利用得到的各個(gè)特征頻率所對(duì)應(yīng)的相速度值繪制相速度頻散曲線；其中，Ｌ是模型長(zhǎng)度；ｆ為頻率；ｋ為波數(shù)；１．６．根據(jù)步驟１．４中得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由式計(jì)算各模態(tài)在不同特征頻率下的群速度值，利用得到的各個(gè)特征頻率所對(duì)應(yīng)的群速度值繪制群速度頻散曲線；其中，Δｆ為相鄰頻率；Δｋ為波數(shù)的差值；１．７．波結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)由后處理結(jié)果中截面沿不同方向的位移量值給出。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳斌，劉飛，何存富，顏丙生，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：11
還沒(méi)有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。