基于導(dǎo)波的一維結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)研究.pdf

1、導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)是利用沿結(jié)構(gòu)延展方向長(zhǎng)距離傳播的導(dǎo)波作為檢測(cè)聲波的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中傳播距離遠(yuǎn)、衰減小、對(duì)裂縫敏感，適合鋼軌、油氣管道等長(zhǎng)距離結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)?，F(xiàn)有導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)方法主要基于脈沖回波原理，該原理要求檢測(cè)導(dǎo)波必須具有低頻散特性，從而限制了長(zhǎng)距離、對(duì)裂縫敏感導(dǎo)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波特性又包含裂縫特征的仿真計(jì)算平臺(tái)，以及缺乏有效的裂縫辨識(shí)方法，難以判斷裂縫的

2、類型和程度。這些因素制約了導(dǎo)波法長(zhǎng)距離檢測(cè)的應(yīng)用研究進(jìn)程。
　　為了拓展長(zhǎng)距離導(dǎo)波檢測(cè)方法的能力，有效使用傳播距離長(zhǎng)、對(duì)裂縫敏感的導(dǎo)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(dǎo)波分析平臺(tái)。通過(guò)邊界的解析描述和計(jì)算網(wǎng)格優(yōu)化，大大減少有限元的計(jì)算量，使得該模型能有效模擬導(dǎo)波在數(shù)十米復(fù)雜截面的一維結(jié)構(gòu)中傳播、以及與裂縫作用的全時(shí)域過(guò)程。在該模型中，不同截面一維結(jié)構(gòu)導(dǎo)波的波數(shù)、群速度和衰減系數(shù)等波動(dòng)特性均可通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)獲得

3、。
　　利用導(dǎo)波分析平臺(tái)研究一維結(jié)構(gòu)不連續(xù)檢測(cè)的長(zhǎng)距離、高精度、自適應(yīng)的時(shí)頻定位方法，提出三種長(zhǎng)距離裂縫定位方法:(1)通過(guò)除噪、濾波、時(shí)頻變換等信號(hào)處理過(guò)程改進(jìn)脈沖回波法，開(kāi)發(fā)能自動(dòng)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(cè)量結(jié)果來(lái)替換理論計(jì)算值，改進(jìn)了頻域反射系數(shù)法，使其能適用于復(fù)雜截面、非均勻結(jié)構(gòu)的裂縫定位。(3)針對(duì)上述兩種方法存在需要激勵(lì)特定的波形、對(duì)噪聲敏感、檢測(cè)硬件成本過(guò)高的缺陷，進(jìn)一步提出了

4、基于單頻連續(xù)信號(hào)的時(shí)頻綜合定位法，利用能量集中的正弦信號(hào)作為檢測(cè)媒介，進(jìn)行實(shí)時(shí)波幅分解分析導(dǎo)波的反射機(jī)理，并在導(dǎo)波分析有限元平臺(tái)中獲得了與脈沖回波法同樣的定位精度。
　　通過(guò)研究導(dǎo)波與不連續(xù)作用關(guān)系，提出裂縫的動(dòng)力學(xué)特征辨識(shí)方法。首先分析一維結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(dòng)力學(xué)參數(shù)的解析表達(dá)式，并在不連續(xù)為單一質(zhì)量時(shí)提出了通過(guò)反射系數(shù)識(shí)別質(zhì)量大小的解析方法。由于該解析識(shí)別方法在實(shí)際工程檢測(cè)中容易受到導(dǎo)

5、波波形失真、噪聲干擾等因素的影響，導(dǎo)致辨識(shí)精度不高、計(jì)算結(jié)果不收斂，因此進(jìn)一步提出抗干擾能力強(qiáng)的能量反射系數(shù)法，即利用導(dǎo)波在阻抗不連續(xù)處的能量反射系數(shù)的相位來(lái)區(qū)分質(zhì)量不連續(xù)和裂縫，并通過(guò)反射和透射的能量比例來(lái)辨識(shí)裂縫的深度尺寸。導(dǎo)波的裂縫敏感性分析結(jié)果表明，對(duì)深度方向?yàn)橹鞯臋M向裂縫，彎曲波比縱波具有更高的檢測(cè)敏感性。
　　為了驗(yàn)證導(dǎo)波有限元分析平臺(tái)以及裂縫定位和辨識(shí)方法的有效性，實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量了長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)的波數(shù)，并分別基于改進(jìn)的脈

6、沖回波法和頻域反射系數(shù)法進(jìn)行裂縫定位實(shí)驗(yàn)，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(jìn)一步在實(shí)際工況鋼軌上進(jìn)行不連續(xù)定位實(shí)驗(yàn)，利用基于時(shí)頻分析的改進(jìn)脈沖回波法對(duì)數(shù)十米鋼軌上的不連續(xù)進(jìn)行定位，誤差小于1％，驗(yàn)證了基于時(shí)頻分析的不連續(xù)定位方法對(duì)一維結(jié)構(gòu)的普適性。
　　本研究提供了分析長(zhǎng)距離一維結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播特性及與阻抗相互作用過(guò)程的導(dǎo)波分析平臺(tái)，形成了定位、辨識(shí)一維結(jié)構(gòu)裂縫的系統(tǒng)方法，驗(yàn)證了基于脈沖回