復(fù)雜結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播機(jī)理與結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中的各個(gè)領(lǐng)域,近些年來(lái)工程結(jié)構(gòu)方面的事故層出不窮,其安全性和可靠性越來(lái)越備受關(guān)注。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、在線、主動(dòng)監(jiān)測(cè),成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用主要局限于板狀,管狀等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),對(duì)于其在工程實(shí)際中復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究較少。因此探討利用基于導(dǎo)波方法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以導(dǎo)波的基本理論為基礎(chǔ),利用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方

2、法對(duì)導(dǎo)波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)(厚梁、壓力容器和高鐵輪軸)中的傳播機(jī)理進(jìn)行了研究,分析了損傷對(duì)導(dǎo)報(bào)傳播的影響。在此基礎(chǔ)上對(duì)真實(shí)的損傷(疲勞裂紋),真實(shí)的工況狀態(tài)(固液耦合狀態(tài))進(jìn)行了研究,并且引入了基于損傷識(shí)別方法。
　　論文首先闡述了導(dǎo)波的基本理論,其中包括無(wú)限介質(zhì)中的彈性波、彈性半空間的平面諧波、無(wú)限大薄板中導(dǎo)波和空心圓柱結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波等。推導(dǎo)了自由板以及空心圓柱結(jié)構(gòu)中的頻散方程,并開(kāi)發(fā)了導(dǎo)波頻散特性分析軟件。引入有限元仿真方法對(duì)導(dǎo)波傳播,

3、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和損傷進(jìn)行數(shù)值建模。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并介紹了實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理方法。
　　提出了基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康性監(jiān)測(cè)技術(shù)中激勵(lì)頻率選擇的標(biāo)準(zhǔn)化流程。綜合考慮了影響導(dǎo)波激勵(lì)中心頻率選擇的各種因素,如:選取適當(dāng)?shù)膶?dǎo)波模式、降低頻散效應(yīng)的影響、增加導(dǎo)波信號(hào)的幅值、提高信號(hào)時(shí)域分辨率和抑制局部對(duì)稱效應(yīng),考慮固液耦合狀態(tài)等?；谝陨戏治鰞?yōu)化了激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)
　　通過(guò)在厚梁結(jié)構(gòu)中引入切槽損傷和疲勞裂紋損傷,研究發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)中的非對(duì)稱型損傷會(huì)引起導(dǎo)

4、波的模式轉(zhuǎn)換(S0模式和A0模式互相轉(zhuǎn)換),對(duì)稱型損傷不引起導(dǎo)波的模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)損傷角度不變時(shí),損傷反射波信號(hào)的幅值隨損傷等增大而增大,到達(dá)時(shí)間也隨之滯后。除此之外,利用導(dǎo)波方法對(duì)真實(shí)的疲勞裂紋進(jìn)行損傷識(shí)別,并與切槽損傷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
　　對(duì)壓力容器中導(dǎo)波的傳播機(jī)理進(jìn)行了研究,利用形狀相似原則分析了導(dǎo)波在壓力容器中傳播時(shí)的頻散性。通過(guò)對(duì)比理論群速度,有限元仿真群速度和實(shí)驗(yàn)群速度驗(yàn)證了該原則的正確性。分析了導(dǎo)波在壓力容器結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)沿

5、周向傳播的周向?qū)Рê脱剌S向傳播的三種導(dǎo)波模式:扭轉(zhuǎn)模式,縱向模式與彎曲模式。綜合考慮模式的可激發(fā)性、可重復(fù)性、頻散特性、傳播速度、對(duì)損傷的敏感性以及對(duì)固液耦合情況下導(dǎo)波能量的泄漏的抑制等因素,最終選擇L(0,2)模式監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷。建立了壓力容器結(jié)構(gòu)的有限元模型,數(shù)值模擬了彈性導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中的傳播情況以及導(dǎo)波與各結(jié)構(gòu)孔洞的作用情況。利用實(shí)驗(yàn)信號(hào)與有限元仿真信號(hào)的對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真記過(guò)具有很好的一致性,驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

6、　　根據(jù)導(dǎo)波在壓力容器中的傳播路徑,利用Tof法,結(jié)合有限元仿真曲線分析了實(shí)驗(yàn)信號(hào)的波包成分以及各波包的形成原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析具有較好的一致性,證明了理論分析的正確性以及基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在壓力容器的無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用的可行性。
　　對(duì)于變截面厚壁結(jié)構(gòu)(高鐵輪軸),常規(guī)的“單發(fā)多收”的監(jiān)測(cè)方法不再適用。由于高鐵輪軸是軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu),當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在損傷時(shí),這種對(duì)稱的環(huán)境將被破壞,對(duì)稱模式的導(dǎo)波將向非對(duì)稱模式轉(zhuǎn)換。在結(jié)構(gòu)中引入對(duì)