基于導(dǎo)波的方管結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、土木建筑、大型機械設(shè)備、特種化工等領(lǐng)域的工程設(shè)備結(jié)構(gòu)服役期長，價值高，在國民經(jīng)濟生產(chǎn)和人民生活中作用巨大。因此，這些工程結(jié)構(gòu)健康與否具有很重要的現(xiàn)實意義，其對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需求也是最為迫切。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)因?qū)崟r、在線、大范圍檢測的優(yōu)點，從誕生以來年一直備受工程界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。而基于超聲導(dǎo)波的檢測方法是目前健康監(jiān)測技術(shù)主要的實現(xiàn)手段，相關(guān)的研究成果也很豐富。但是由于超聲導(dǎo)波在傳播過程中受邊界的影響很大，導(dǎo)致目前導(dǎo)波技術(shù)研究和應(yīng)用的對象主

2、要局限在大平板和圓管等邊界條件簡單的結(jié)構(gòu)。這一現(xiàn)狀限制了健康監(jiān)測技術(shù)在實際工程結(jié)構(gòu)中推廣，因此進一步研究導(dǎo)波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如壓力容器、桁架、方管等中的監(jiān)測手段是進一步擴大結(jié)構(gòu)健康技術(shù)應(yīng)用的必由之路。方管結(jié)構(gòu)作為一種重要的工程結(jié)構(gòu)形式，在船艦、車輛、航天器材等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其既有平板結(jié)構(gòu)特征又有自身特殊性，研究導(dǎo)波健康監(jiān)測技術(shù)在方管領(lǐng)域的應(yīng)用不但可以保障設(shè)備健康，還具有顯著的可行性。
　　本文按照導(dǎo)波檢測的工作步驟進行工作闡述。首先

3、對導(dǎo)波的物理方程入手，推導(dǎo)導(dǎo)波在不同邊界下的形態(tài)，并比對方管結(jié)構(gòu)，提出導(dǎo)波在方管結(jié)構(gòu)中的形態(tài)。其次，根據(jù)導(dǎo)波的頻散特征方程，求解導(dǎo)波各模態(tài)的頻散曲線，對照曲線選擇檢測需要的激勵中心頻率和導(dǎo)波模態(tài)。在導(dǎo)波頻散特性求解過程中，重點分析準確的材料彈性常數(shù)對檢測準確性、可靠性的意義。隨后從頻散特征方程出發(fā)，提出了基于導(dǎo)波測試信號的材料彈性常數(shù)反演方法，并成功地在鋁板、線棒絕緣層和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)中得到了驗證。再次，本文完成了方管結(jié)構(gòu)的有限元仿真建模，

4、并詳細介紹了仿真工作準備工作的標準流程：待檢測結(jié)構(gòu)的建模、驅(qū)動器和傳感器的建模、網(wǎng)格劃分和單元選取、載荷設(shè)置、求解器和步長的選擇。在此基礎(chǔ)上，進行導(dǎo)波在方管結(jié)構(gòu)傳播的仿真及分析。
　　與平板和梁結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)波在方管中因多邊界的存在出現(xiàn)嚴重的波包重疊，外加導(dǎo)波在邊界及損傷處出現(xiàn)的模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測信號成分復(fù)雜、研判難度大。本文從單一壓電晶片激勵的角度出發(fā)，得到不同頻率下不同導(dǎo)波模態(tài)的能量變化情況，提出通過控制模態(tài)能量幅值從而實現(xiàn)

5、信號成分簡化的方法；隨后從波包的理論群速度和實驗群速度入手，對響應(yīng)波的成分進行分析，研究Lamb波在方管結(jié)構(gòu)中傳播時的模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，以及Lamb波與不同位置損傷的作用情況。研究發(fā)現(xiàn)，邊界發(fā)射產(chǎn)生的水平剪切波SH可以用于監(jiān)測早期裂紋的出現(xiàn)；能量較高Lamb波基礎(chǔ)階反對稱模態(tài)A0具有較高的分辨率，在損傷定位等后期處理方面有重要作用。此外，本文驗證了基于波的相關(guān)性分析在實際檢測中不足，并通過基于能量譜相關(guān)性分析的概率密度成像技術(shù)對構(gòu)架的兩種損