【学术成果】博士生张旭在板壳结构导波频散分析和模态追踪方面取得新进展

 近日，我院油气储运工程学科博士研究生张旭在板壳结构导波频散分析和模态追踪方面取得新进展，相关研究成果《An improved modal tracking algorithm for dispersion analysis of arbitrary prestressed plates》发表在《Thin-Walled Structures》，《Thermo-acoustoelastic modeling of guided wave propagation in plate/shell structures under temperature-stress coupling》发表在《Mechanical Systems and Signal Processing》。《Mechanical Systems and Signal Processing》和《Thin-Walled Structures》均为机械工程和力学领域顶刊（中科院一区Top），目前影响因子分别为7.9和5.7。论文第一作者为博士研究生张旭，通讯作者分别为刘刚教授和陈雷教授，中国石油大学为第一署名单位和唯一通讯单位。该研究得到了国家管网揭榜挂帅项目和中国石油大学研究生创新基金项目的支持。

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超声导波作为一种受结构边界约束和引导的机械弹性波，具有覆盖范围广，损伤灵敏度高等优点，被广泛应用于板壳结构的无损检测和结构健康监测。然而，服役环境中的温度变化与结构应力会影响导波传播速度，导致损伤信息的误报和漏报，极大限制了导波检测技术的可靠性和准确性。针对上述问题，研究团队构建了具有温度依赖性的超弹性本构方程，提出了板壳结构的热声弹性频散分析模型，采用多分析步叠加求解，探究了不同温度-应力耦合作用下导波相速度和波结构的变化规律。结果表明，在均匀温度变化下，导波传播平面内的不均匀应力状态会改变Lamb波和SH导波的位移波结构分布，导致两者的频散曲线在原本交叉点处彼此排斥并偏离。此外，导波模态的相速度变化与温度-应力耦合条件、频率和传播方向密切相关。本研究揭示了环境温度变化和结构应力耦合作用对板壳结构频散特性的影响，为开发导波环境补偿算法提供了数据支撑。

板壳结构的热声弹性频散分析模型

超声导波的多模态特性会导致频散曲线彼此交叉和重叠，而传统模态追踪方法对模态振型间的细微差异并不敏感，难以准确区分板壳结构中的所有导波模态。针对上述问题，研究团队结合全参考图像评估技术，提出了一种基于图像配准的模态追踪算法，可以在较大频率间隔下实现导波模态的精确分类。为了进一步提高模态追踪效率，研究团队对模态振型矢量进行了分块比较，并引入局部结构相似性指标，以区分模态振型间的细微差异。结果表明，改进方法相较于图像配准算法的模态追踪效率提高了近13倍。本研究为板壳结构中导波频散曲线的精确分类和追踪提供了技术支撑。

导波模态追踪算法流程图

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112582

https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2024.111693