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                              北大工學院李法新課題組在無損檢測/結構健康監測領域取得突破性進展

                              時間:2016-10-25 11:04  作者:  來源:工學院

                              近日,北京大學工學院李法新課題組在無損檢測(NDT)/結構健康監測(SHM)領域取得了突破性進展,他們設計制備的面內剪切(d24)型壓電陶瓷換能器,在平板中激勵出單模態的零階水平剪切波(SH0),同時還可以有選擇性地接收SH0波。這項工作近日以快報的形式發表在NDT/SHM領域權威期刊Smart Materials & Structures上,文章第一作者為工學院2012級博士研究生苗鴻臣。

                              超聲導波一直是NDT/SHM領域最熱門的前沿技術之一,與體波相比,它的優勢在于能量衰減慢,適于長距離的缺陷檢測和監測。平板和圓管中的導波相對簡單且具有明顯的應用背景。以平板為例,其中傳播的導波包括Lamb波和SH波。Lamb波易于激勵和接收,但它是頻散波,傳播距離受限制,而且遇到邊界和缺陷會發生波型轉換,給信號處理帶來很大的困難;SH0波是平板中唯一非頻散的導波,傳播過程中不易發生波型轉換,信號處理要簡單許多,但單模態的SH0波很難被激勵出來。因此目前平板中研究最多的還是Lamb波,研究主要集中在波型調制及信號處理方面。激勵出單模態的SH0波一直是該領域研究人員的一個夢想。

                              上世紀90年代,學者們已經采用電磁超聲換能器(EMAT)在平板中激勵出純SH0波。EMAT的最大問題是只適用于導體結構,由于是非接觸式,雖然在高溫等少數場合有優勢,但其信噪比(SNR)比壓電式傳感器低1-2個量級,因此必須采用大功率的發射裝置才能工作,其檢測距離受到限制,而且設備笨重無法用于結構健康監測(SHM)。近幾年,學者們也在嘗試采用壓電纖維、壓電單晶等來激勵SH0波,但一直無法獲得單模態的SH0波。

                              李法新課題組先是通過鐵彈疇變在PZT壓電陶瓷中開發出d36型面內剪切的變形模式(APL,107,122902,2015),進而采用d36型PZT陶瓷換能器在平板中激勵出SH0波(JAP,119,174101,2016),但還是無法激勵出單模態的SH0波。2015年12月他們改變了思路,對面內極化的PZT陶瓷施加與極化垂直的面內電場,形成d24純面內剪切的變形模式,首次采用壓電換能器在平板中激勵出單模態的SH0波,同時還可以有選擇性地接收SH0波。隨后課題組還發展了平面全指向性的SH0波換能器,并且采用指環形d24壓電陣列,在圓管中激勵出非頻散的單模態零階扭轉波T(0,1),目前這兩項工作都在投稿中。這項工作(SMS2016)的重要意義在于提供了一種簡單可靠的方式來激勵SH0波,可以有力地推動基于SH0波的平板類結構的缺陷檢測與健康監測。同時由于d24型壓電陶瓷換能器安裝無需壓力且成本低廉,有望在長距離管道的安全監測中占據主導地位。

                               

                              面內剪切(d24)壓電換能器激勵SH波有限元模擬圖


                              這項工作也引起了業內的廣泛關注和好評。在剛剛結束的第一屆軌道交通健康監測國際研討會上(中國青島,2016.10.12-14),課題組的論文“Excitation and Reception of SH0 waves by using face-shear piezoelectric ceramics”被評為最佳論文一等獎(Meritorious Paper Award)。評審委員會主席為Structural Health Monitoring雜志主編、斯坦福大學Chang Fu-Kuo教授,評審委員包括英國皇家科學院和工程院兩院院士、帝國理工機械系系主任Peter Cawley教授等領域內權威學者。美國Georgia Tech Inst航空系講座教授M. Ruzzene評價該工作為“很好,很重要”(very good, very important)。

                              最佳論文一等獎證書

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