厚壁構(gòu)件中的導(dǎo)波傳播機(jī)理及損傷識(shí)別研究.pdf

1、基于導(dǎo)波技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可以在線監(jiān)控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，無(wú)需定期停機(jī)檢修維護(hù)，從而大大降低了維護(hù)成本，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前基于導(dǎo)波方法的研究主要集中于薄板和薄壁結(jié)構(gòu)，而實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)設(shè)備一般都比較龐大，特別是結(jié)構(gòu)的支撐部分多是一些厚梁或厚壁管狀結(jié)構(gòu)。因此探討利用導(dǎo)波方法對(duì)厚壁構(gòu)件進(jìn)行損傷檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 在基于導(dǎo)波方法的管路設(shè)備的檢測(cè)中，目前比較流行的是通過(guò)環(huán)形壓電陣列來(lái)激發(fā)和接收導(dǎo)波。這種環(huán)形壓電陣列能集中地產(chǎn)生

2、軸對(duì)稱(chēng)縱向模式或者扭轉(zhuǎn)模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的管道檢測(cè)維護(hù)。但該技術(shù)只能對(duì)損傷進(jìn)行軸向定位，而很多情況下?lián)p傷的周向定位也是必要的。
　　 本論文研究了導(dǎo)波在厚梁結(jié)構(gòu)和厚壁圓管結(jié)構(gòu)中傳播的機(jī)理，并基于導(dǎo)波方法對(duì)這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。在梁結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)識(shí)別中，分析了切槽損傷和疲勞裂紋損傷位于梁的不同表面的情況；在管結(jié)構(gòu)的損傷定位識(shí)別中，應(yīng)用橢圓定位法實(shí)現(xiàn)管結(jié)構(gòu)中損傷的軸向和周向定位。
　　 論文首先對(duì)基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)

3、測(cè)技術(shù)進(jìn)行概述，主要涉及導(dǎo)波的基礎(chǔ)理論、驅(qū)動(dòng)器與傳感器、導(dǎo)波的建模、信號(hào)處理及管結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別研究?？偨Y(jié)了導(dǎo)波的基本特性及求解方程，這是對(duì)導(dǎo)波進(jìn)行求解和分析的理論基礎(chǔ)；介紹了本研究所采用的壓電陶瓷晶片和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并提出在時(shí)域上對(duì)實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理的方法流程。基于壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)分別對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)器、PZT傳感器進(jìn)行有限元建模，得到在結(jié)構(gòu)上施加剪切力和采集應(yīng)力的簡(jiǎn)化模型，從而大大減少了有限元計(jì)算時(shí)間。通過(guò)算例中實(shí)驗(yàn)信號(hào)與仿真信

4、號(hào)的對(duì)比驗(yàn)證了有限元模型的有效性。
　　 基于Rayleigh-Lamb方程應(yīng)用MATLAB軟件繪制了板中Lamb波的頻散曲線，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的GUI程序。在Lamb波在厚梁結(jié)構(gòu)中的傳播機(jī)理分析中，首先研究結(jié)構(gòu)厚度對(duì)導(dǎo)波幅值的影響，結(jié)果表明導(dǎo)波幅值隨厚度增加而減?。簝?yōu)化激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)如窗函數(shù)和激勵(lì)周期數(shù)，并討論影響導(dǎo)波頻率的選擇的因素，針對(duì)梁結(jié)構(gòu)給出了合適的頻厚積范圍；通過(guò)在數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)單一基礎(chǔ)階對(duì)稱(chēng)(S0)模式/反對(duì)稱(chēng)(

5、A0)模式，建立梁結(jié)構(gòu)中Lamb波基礎(chǔ)模式的衰減曲線，并將其與板中的情況進(jìn)行比較。
　　 通過(guò)在厚梁中引入切槽損傷，研究導(dǎo)波與梁中損傷作用的規(guī)律。當(dāng)損傷位于上表面時(shí)，在損傷反射波中觀察到了模式轉(zhuǎn)換的波包；而當(dāng)損傷位于側(cè)面時(shí)，模式轉(zhuǎn)換波包消失，說(shuō)明了導(dǎo)波遇到不對(duì)稱(chēng)型損傷時(shí)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，而對(duì)稱(chēng)型損傷則不會(huì)；理論分析了當(dāng)損傷位于上、下表面時(shí)導(dǎo)波模式的差異，并通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)疲勞裂紋損傷的研究中，通過(guò)比較疲勞裂紋損傷與切槽損傷

6、反射波差異，發(fā)現(xiàn)同等損傷深度下，疲勞裂紋反射波的幅值要小于切槽損傷，并且這種差距隨損傷深度增加而減小。
　　 在圓管結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播機(jī)理分析中，首先基于頻散曲線和波結(jié)構(gòu)分析，總結(jié)了L(0，2)模式的特點(diǎn)。根據(jù)壓電晶片激勵(lì)下的波的傳播情況，提出周向?qū)Рㄅc軸向?qū)Рǖ母拍睢；谥芟騻鞲衅餍盘?hào)的分析總結(jié)L(0,1)和L(0，2)模式的幅值隨傳播距離變化的關(guān)系，其衰減規(guī)律接近與板中的情況。分析了軸向?qū)Рê椭芟驅(qū)Рǖ竭_(dá)軸向傳感器的規(guī)律，并通

7、過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行驗(yàn)證。
　　 在圓管的損傷定位識(shí)別中，首次將橢圓定位法應(yīng)用于圓管結(jié)構(gòu)，并基于MATLAB開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的GUI程序。首先介紹了橢圓定位法的原理，并根據(jù)管中導(dǎo)波特性進(jìn)行模式選擇；建立用于橢圓定位的傳感器網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化傳感器數(shù)量及粘貼位置，并通過(guò)數(shù)值仿真算例和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與分析。在圓孔損傷的實(shí)驗(yàn)中將傳感器網(wǎng)絡(luò)置于圓管的一端，實(shí)驗(yàn)分析橢圓定位法的可檢測(cè)范圍和可檢測(cè)大小。結(jié)果表明橢圓定位法能實(shí)現(xiàn)圓管中損傷的軸向和周向定位，相比環(huán)形