厚壁構(gòu)件中的導波傳播機理及損傷識別研究.pdf

1、基于導波技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)可以在線監(jiān)控結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，無需定期停機檢修維護，從而大大降低了維護成本，成為一個研究熱點。目前基于導波方法的研究主要集中于薄板和薄壁結(jié)構(gòu)，而實際應(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)。因此探討利用導波方法對厚壁構(gòu)件進行損傷檢測具有重要的現(xiàn)實意義。
　　 在基于導波方法的管路設(shè)備的檢測中，目前比較流行的是通過環(huán)形壓電陣列來激發(fā)和接收導波。這種環(huán)形壓電陣列能集中地產(chǎn)生

2、軸對稱縱向模式或者扭轉(zhuǎn)模式，實現(xiàn)遠距離的管道檢測維護。但該技術(shù)只能對損傷進行軸向定位，而很多情況下?lián)p傷的周向定位也是必要的。
　　 本論文研究了導波在厚梁結(jié)構(gòu)和厚壁圓管結(jié)構(gòu)中傳播的機理，并基于導波方法對這兩類結(jié)構(gòu)中的損傷進行檢測識別。在梁結(jié)構(gòu)的損傷檢測識別中，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)的損傷定位識別中，應(yīng)用橢圓定位法實現(xiàn)管結(jié)構(gòu)中損傷的軸向和周向定位。
　　 論文首先對基于導波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)

3、測技術(shù)進行概述，主要涉及導波的基礎(chǔ)理論、驅(qū)動器與傳感器、導波的建模、信號處理及管結(jié)構(gòu)的損傷識別研究。總結(jié)了導波的基本特性及求解方程，這是對導波進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驗系統(tǒng)，并提出在時域上對實驗信號處理的方法流程?；趬弘娞沾刹牧系哪鎵弘娦?yīng)和正壓電效應(yīng)分別對PZT驅(qū)動器、PZT傳感器進行有限元建模，得到在結(jié)構(gòu)上施加剪切力和采集應(yīng)力的簡化模型，從而大大減少了有限元計算時間。通過算例中實驗信號與仿真信

4、號的對比驗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)中的傳播機理分析中，首先研究結(jié)構(gòu)厚度對導波幅值的影響，結(jié)果表明導波幅值隨厚度增加而減?。簝?yōu)化激勵信號的參數(shù)如窗函數(shù)和激勵周期數(shù)，并討論影響導波頻率的選擇的因素，針對梁結(jié)構(gòu)給出了合適的頻厚積范圍；通過在數(shù)值仿真和實驗中激勵單一基礎(chǔ)階對稱(S0)模式/反對稱(

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行比較。
　　 通過在厚梁中引入切槽損傷，研究導波與梁中損傷作用的規(guī)律。當損傷位于上表面時，在損傷反射波中觀察到了模式轉(zhuǎn)換的波包；而當損傷位于側(cè)面時，模式轉(zhuǎn)換波包消失，說明了導波遇到不對稱型損傷時發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，而對稱型損傷則不會；理論分析了當損傷位于上、下表面時導波模式的差異，并通過數(shù)值仿真進行驗證。在對疲勞裂紋損傷的研究中，通過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)中導波的傳播機理分析中，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。根據(jù)壓電晶片激勵下的波的傳播情況，提出周向?qū)Рㄅc軸向?qū)Рǖ母拍?。基于周向傳感器信號的分析總結(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_軸向傳感器的規(guī)律，并通

7、過數(shù)值仿真進行驗證。
　　 在圓管的損傷定位識別中，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)管中導波特性進行模式選擇；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，并通過數(shù)值仿真算例和實驗進行驗證與分析。在圓孔損傷的實驗中將傳感器網(wǎng)絡(luò)置于圓管的一端，實驗分析橢圓定位法的可檢測范圍和可檢測大小。結(jié)果表明橢圓定位法能實現(xiàn)圓管中損傷的軸向和周向定位，相比環(huán)形