基于超聲導波的機械結構健康監(jiān)測機理研究.pdf

1、大型工程結構安全性問題日益凸顯。一旦結構關鍵部位的早期損傷未能及時發(fā)現而繼續(xù)發(fā)展并積累到一定程度，將會導致整個結構的突發(fā)性失效。因此，實時監(jiān)測結構的健康狀況，準確識別初始微小裂紋，具有重要的理論意義和應用價值。
　　近二十年來，結構健康監(jiān)測相關的技術不斷發(fā)展并逐步應用于結構狀態(tài)監(jiān)測、異常檢查、損傷檢測和識別等方面。在多種檢測技術之中，基于導波（GW）結構健康檢測方法是公認的對結構損傷進行實時檢測和識別的有效工具。該技術涉及數學、力

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

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

4、及損傷定位。以理想的板結構中的導波頻散方程為基礎，從導波模式、時域分辨率、各模式幅值、波的結構等角度進行分析，為基于超聲導波的H型鋼損傷識別與定位的激勵信號選擇提供理論依據。建立H型鋼三維有限元模型，分析H型鋼中導波傳播機理，分析H型鋼翼緣與板腹導波之間的相互耦合及較強的邊界反射效應的影響，對比兩點對稱激勵與整周激勵的效果，并驗證前面激勵信號選擇的有效性。根據有限元建模計算結果，采取整周激勵，設計一個基于相對距離的概率密度的損傷定位成像

5、方法，并通過實驗進行驗證，最后分析定位誤差的影響因素。
　　3、研究了管結構中導波傳播機理及損傷定位。通過分析空心圓柱體結構中的各種模式的傳播特征，綜合導波模式、截止區(qū)域、波的結構、群速度等方面因素選擇激勵信號頻率。建立管結構三維有限元模型，分析管道中導波傳播機理，分析軸對稱對導波傳播的影響。采用單點激勵、多點接收的方法進行有限元仿真，根據仿真結果進行試驗以驗證仿真的有效性。根據響應波的飛行距離確定各傳感路徑得到的損傷軌跡，以對應