基于導波的一維結(jié)構(gòu)無損檢測研究.pdf

1、導波無損檢測是利用沿結(jié)構(gòu)延展方向長距離傳播的導波作為檢測聲波的新型無損檢測技術(shù)。導波在結(jié)構(gòu)中傳播距離遠、衰減小、對裂縫敏感，適合鋼軌、油氣管道等長距離結(jié)構(gòu)的無損檢測?，F(xiàn)有導波無損檢測方法主要基于脈沖回波原理，該原理要求檢測導波必須具有低頻散特性，從而限制了長距離、對裂縫敏感導波的使用，降低了裂縫定位的有效距離和精度;另一方面，現(xiàn)有研究工作缺乏既包含超長結(jié)構(gòu)的導波特性又包含裂縫特征的仿真計算平臺，以及缺乏有效的裂縫辨識方法，難以判斷裂縫的

2、類型和程度。這些因素制約了導波法長距離檢測的應用研究進程。
　　為了拓展長距離導波檢測方法的能力，有效使用傳播距離長、對裂縫敏感的導波，首先建立傳播路徑是有限元、邊界是阻抗解析關(guān)系的一維結(jié)構(gòu)導波分析平臺。通過邊界的解析描述和計算網(wǎng)格優(yōu)化，大大減少有限元的計算量，使得該模型能有效模擬導波在數(shù)十米復雜截面的一維結(jié)構(gòu)中傳播、以及與裂縫作用的全時域過程。在該模型中，不同截面一維結(jié)構(gòu)導波的波數(shù)、群速度和衰減系數(shù)等波動特性均可通過虛擬實驗獲得

3、。
　　利用導波分析平臺研究一維結(jié)構(gòu)不連續(xù)檢測的長距離、高精度、自適應的時頻定位方法，提出三種長距離裂縫定位方法:(1)通過除噪、濾波、時頻變換等信號處理過程改進脈沖回波法，開發(fā)能自動化地尋找和定位結(jié)構(gòu)中的所有不連續(xù)的算法。(2)利用群速度、波數(shù)等測量結(jié)果來替換理論計算值，改進了頻域反射系數(shù)法，使其能適用于復雜截面、非均勻結(jié)構(gòu)的裂縫定位。(3)針對上述兩種方法存在需要激勵特定的波形、對噪聲敏感、檢測硬件成本過高的缺陷，進一步提出了

4、基于單頻連續(xù)信號的時頻綜合定位法，利用能量集中的正弦信號作為檢測媒介，進行實時波幅分解分析導波的反射機理，并在導波分析有限元平臺中獲得了與脈沖回波法同樣的定位精度。
　　通過研究導波與不連續(xù)作用關(guān)系，提出裂縫的動力學特征辨識方法。首先分析一維結(jié)構(gòu)導波在阻抗不連續(xù)處的反射、透射關(guān)系，建立反射系數(shù)與阻抗的動力學參數(shù)的解析表達式，并在不連續(xù)為單一質(zhì)量時提出了通過反射系數(shù)識別質(zhì)量大小的解析方法。由于該解析識別方法在實際工程檢測中容易受到導

5、波波形失真、噪聲干擾等因素的影響，導致辨識精度不高、計算結(jié)果不收斂，因此進一步提出抗干擾能力強的能量反射系數(shù)法，即利用導波在阻抗不連續(xù)處的能量反射系數(shù)的相位來區(qū)分質(zhì)量不連續(xù)和裂縫，并通過反射和透射的能量比例來辨識裂縫的深度尺寸。導波的裂縫敏感性分析結(jié)果表明，對深度方向為主的橫向裂縫，彎曲波比縱波具有更高的檢測敏感性。
　　為了驗證導波有限元分析平臺以及裂縫定位和辨識方法的有效性，實驗室條件下測量了長梁結(jié)構(gòu)的波數(shù)，并分別基于改進的脈

6、沖回波法和頻域反射系數(shù)法進行裂縫定位實驗，兩種方法均以小于0.1％的誤差精確定位了梁上寬1 mm、深度比50％的裂縫。進一步在實際工況鋼軌上進行不連續(xù)定位實驗，利用基于時頻分析的改進脈沖回波法對數(shù)十米鋼軌上的不連續(xù)進行定位，誤差小于1％，驗證了基于時頻分析的不連續(xù)定位方法對一維結(jié)構(gòu)的普適性。
　　本研究提供了分析長距離一維結(jié)構(gòu)中導波傳播特性及與阻抗相互作用過程的導波分析平臺，形成了定位、辨識一維結(jié)構(gòu)裂縫的系統(tǒng)方法，驗證了基于脈沖回