基于主動Lamb波的疲勞裂紋監(jiān)測技術(shù)研究.pdf

1、由于基于主動Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法具有監(jiān)測全面、監(jiān)測范圍廣、低成本、高靈敏度、低能耗、參數(shù)化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因而受到了廣泛的關(guān)注，具有深入研究的價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
　　門座起重機(jī)是港口作業(yè)的主要設(shè)備，它的安全運(yùn)行是非常重要的。疲勞裂紋是門座式起重機(jī)失效的主要因素，給起重機(jī)帶來的危害性極大，常常危及到起重機(jī)的使用安全，因其造成的事故往往是災(zāi)難性的。因此，在起重機(jī)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有重大而深遠(yuǎn)的意義。
　　AHE-SGI

2、I-1.0型號的疲勞裂紋監(jiān)測裝置是通過采用基于主動Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法來對疲勞裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的。本文以門座式起重機(jī)臂架所用的鋼板作為研究對象，采用疲勞裂紋監(jiān)測裝置，對基于主動Lamb波的疲勞裂紋監(jiān)測方法進(jìn)行了研究，為疲勞裂紋監(jiān)測裝置用于門座式起重機(jī)臂架的巡檢工作奠定基礎(chǔ)。本文主要從以下幾個(gè)方面做了相關(guān)研究：
　?。?）總結(jié)分析了港口門座起重機(jī)中易于出現(xiàn)疲勞裂紋的金屬結(jié)構(gòu)以及疲勞裂紋對起重機(jī)械的危害性；闡述了大型起重設(shè)

3、備中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要性及基于主動Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于起重設(shè)備的意義；綜述了基于主動Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　（2）介紹了Lamb波的基本概念、Lamb波的傳播特性（頻散現(xiàn)象、多模態(tài)現(xiàn)象、衰減現(xiàn)象）以及Lamb波的頻散曲線。
　?。?）闡述了壓電元件的相關(guān)理論，分析了壓電薄膜傳感器（PVDF）和壓電陶磁傳感器（PZT）的工作原理、影響激勵(lì)信號的因素、常用的Lamb波信號處理技術(shù)和基

4、于主動Lamb波的疲勞裂紋損傷識別和定位的方法。
　　（4）采用有限元的方法，通過ABAQUS有限元仿真軟件，以健康和含有疲勞裂紋的門座起重機(jī)臂架所用鋼板為對象，對基于主動Lamb波的鋼板監(jiān)測過程進(jìn)行了仿真模擬。在ABAQUS有限元仿真軟件中建立有限元模型并選取網(wǎng)格單元類型為平面應(yīng)變單元，通過相關(guān)計(jì)算，在保證有限元計(jì)算效率和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，以0.2mm為最小單元長度，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格單元。以中心頻率為100KHz，5

5、個(gè)周期的經(jīng)HANNING窗調(diào)制的正弦信號作為激勵(lì)信號，在板中施加位移載荷，邊界條件為自由邊界條件，設(shè)定時(shí)間步長為20ns，對鋼板模型進(jìn)行求解計(jì)算。從接收點(diǎn)采集的的信號中可以看出，Lamb波在鋼板中傳播的過程中，Lamb波頻散出了兩種模態(tài)的Lamb波信號，即對稱模態(tài)Lamb波S0和反對稱模態(tài)Lamb波A0。Lamb波在健康鋼板中的響應(yīng)信號有兩種，即Lamb波激勵(lì)信號和邊界回波信號，而Lamb波在損傷鋼板中的響應(yīng)信號有三種，即Lamb波激勵(lì)

6、信號、邊界回波信號和缺陷回波信號。文中通過分析健康鋼板和損傷鋼板中的響應(yīng)信號的差信號來實(shí)現(xiàn)了對Q235鋼板中的疲勞裂紋的識別和定位，通過有限元計(jì)算出的疲勞裂紋的位置接近鋼板的中心位置，驗(yàn)證了有限元方法的有效性、可行性。
　?。?）采用AHE-SGII-1.0型號疲勞裂紋監(jiān)測裝置，對基于主動Lamb波的疲勞裂紋監(jiān)測方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，壓電陶瓷片既充當(dāng)激勵(lì)傳感器同時(shí)也充當(dāng)傳感器。在鋼板中布置四個(gè)傳感器，其中一個(gè)傳感器作為

7、激勵(lì)傳感器在板中激發(fā)Lamb波信號，其它三個(gè)傳感器作為接受傳感器，采集Lamb波響應(yīng)信號。采用小波變換的信號處理方法分析處理采集到的Lamb波信號。我們可以得到三種波形圖，即健康板中的Lamb波信號、損傷板中的Lamb波信號和兩種信號的差信號。疲勞裂紋的相關(guān)信息都包含在差信號里。由于Lamb波在傳播過程中遇到缺陷會發(fā)生反射現(xiàn)象，因此，損傷板中的Lamb波響應(yīng)信號中會出現(xiàn)缺陷回波信號，從而可以判斷疲勞裂紋的存在。依據(jù)橢圓定位原理，在相鄰的