基于超聲導(dǎo)波的機(jī)械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測機(jī)理研究.pdf

1、大型工程結(jié)構(gòu)安全性問題日益凸顯。一旦結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的早期損傷未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)發(fā)展并積累到一定程度，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況，準(zhǔn)確識(shí)別初始微小裂紋，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　近二十年來，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)的技術(shù)不斷發(fā)展并逐步應(yīng)用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、異常檢查、損傷檢測和識(shí)別等方面。在多種檢測技術(shù)之中，基于導(dǎo)波（GW）結(jié)構(gòu)健康檢測方法是公認(rèn)的對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和識(shí)別的有效工具。該技術(shù)涉及數(shù)學(xué)、力

2、學(xué)、測試與傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科，是一項(xiàng)融合多學(xué)科的技術(shù)。H型鋼和鋼管時(shí)典型的結(jié)構(gòu)元件。對于常用的H型鋼和對稱鋼管來說，H型鋼結(jié)構(gòu)板腹與翼緣的導(dǎo)波相互耦合、連接處的幾何非線性，軸對稱的圓管結(jié)構(gòu)存在周向與縱向兩種不同形式的導(dǎo)波，這都加大了導(dǎo)波損傷監(jiān)測難度。本論文采用理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究的方法，
　　針對H型鋼和鋼管結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波傳播機(jī)理進(jìn)行研究，并對損傷定位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和誤差分析。主要研究內(nèi)容如下：
　　1、研究

3、了結(jié)構(gòu)損傷及導(dǎo)波傳播的建模問題。首先分析理想板、空心圓柱體等結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的各個(gè)模式的頻散方程與傳播特點(diǎn)，其中包含板中的Lamb波和SH波，鋼管的縱向模態(tài)導(dǎo)波、扭轉(zhuǎn)模態(tài)導(dǎo)波、彎曲模態(tài)導(dǎo)波、周向Lamb波、周向SH波。然后利用數(shù)值方法繪制頻散曲線，并對激勵(lì)信號的選擇進(jìn)行初步分析。最后進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷建模、導(dǎo)波傳播有限元仿真及PZT建模，為后續(xù)基于導(dǎo)波的H型鋼、管道等結(jié)構(gòu)監(jiān)測的研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
　　2、研究了H型鋼中導(dǎo)波傳播機(jī)理

4、及損傷定位。以理想的板結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波頻散方程為基礎(chǔ)，從導(dǎo)波模式、時(shí)域分辨率、各模式幅值、波的結(jié)構(gòu)等角度進(jìn)行分析，為基于超聲導(dǎo)波的H型鋼損傷識(shí)別與定位的激勵(lì)信號選擇提供理論依據(jù)。建立H型鋼三維有限元模型，分析H型鋼中導(dǎo)波傳播機(jī)理，分析H型鋼翼緣與板腹導(dǎo)波之間的相互耦合及較強(qiáng)的邊界反射效應(yīng)的影響，對比兩點(diǎn)對稱激勵(lì)與整周激勵(lì)的效果，并驗(yàn)證前面激勵(lì)信號選擇的有效性。根據(jù)有限元建模計(jì)算結(jié)果，采取整周激勵(lì)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于相對距離的概率密度的損傷定位成像

5、方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后分析定位誤差的影響因素。
　　3、研究了管結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播機(jī)理及損傷定位。通過分析空心圓柱體結(jié)構(gòu)中的各種模式的傳播特征，綜合導(dǎo)波模式、截止區(qū)域、波的結(jié)構(gòu)、群速度等方面因素選擇激勵(lì)信號頻率。建立管結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析管道中導(dǎo)波傳播機(jī)理，分析軸對稱對導(dǎo)波傳播的影響。采用單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)接收的方法進(jìn)行有限元仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證仿真的有效性。根據(jù)響應(yīng)波的飛行距離確定各傳感路徑得到的損傷軌跡，以對應(yīng)