【摘要】：在鋼箱梁結(jié)構(gòu)中,鋼板作為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件之一,如果鋼板發(fā)生損傷則成為了整體結(jié)構(gòu)的重大隱患,為了避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失與人身傷害,如何準(zhǔn)確、有效、及時(shí)的檢測出損傷是本文研究的重要課題。本文利用對稱激勵(lì)Lamb波檢測系統(tǒng)分別對鋼板點(diǎn)狀損傷和裂紋損傷以及焊接鋼板的裂紋損傷進(jìn)行了深入研究,通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,討論了對稱激勵(lì)Lamb波的檢測系統(tǒng)對鋼板以及焊接鋼板損傷檢測的可行性及準(zhǔn)確性。首先,根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí),通過位移勢函數(shù)的方法推導(dǎo)出了Lamb波的頻散方程。同時(shí)運(yùn)用二分法的數(shù)學(xué)思想,編寫程序利用MATLAB得出Lamb波頻散方程的數(shù)值解,得到了Lamb波在2mm鋼板中傳播的各個(gè)模態(tài)的群速度和相速度。基于Lamb波的傳播特性,從理論角度分析了對稱激勵(lì)與反對稱激勵(lì)得到單模態(tài)Lamb波的可能性,同時(shí)從壓電片之間距離和邊界反射兩個(gè)角度探討了壓電片的優(yōu)化布置。其次,根據(jù)Lamb波的傳播特性,利用ABAQUS/Explict動(dòng)力顯示分析,對鋼板模型進(jìn)行建模以及仿真分析。對激勵(lì)信號(hào)、仿真中網(wǎng)格劃分和時(shí)間步的確定方法進(jìn)行了說明,模擬了單模態(tài)Lamb波在完整模型和損傷模型中的傳播過程與效果,并根據(jù)其傳播特點(diǎn),通過橢圓損傷定位方法確定了鋼板模型中點(diǎn)狀損傷和裂紋損傷的位置。通過對比不同長度線性裂紋的損傷成像模擬,驗(yàn)證了信號(hào)傳播也符合光學(xué)中的費(fèi)馬定理,得到了對應(yīng)該P(yáng)ZT傳感器布置下可檢測的最大線性裂紋長度。同時(shí),在鋼板裂紋檢測的基礎(chǔ)上,拓展為焊接鋼板的裂紋損傷檢測,驗(yàn)證雖然波形反射增多,更加復(fù)雜,但仍然可以模擬定位出損傷位置。研究了焊縫單元的增加對接收信號(hào)與損傷檢測結(jié)果的影響,得出增加焊縫單元使接收信號(hào)的非焊縫反射區(qū)能量減小,焊縫反射區(qū)能量增加的結(jié)論。并運(yùn)用數(shù)據(jù)融合的方法模擬裂紋損傷,利用Matlab編程模擬得到裂紋損傷的損傷成像,結(jié)果與實(shí)際吻合度較好。最后,建立了對稱激勵(lì)Lamb波的損傷檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)理論分析,在實(shí)驗(yàn)中采用對稱激勵(lì),得到近似單模態(tài)的Lamb波回波。對回波進(jìn)行分析,得到各波包成分,并通過定量分析,計(jì)算出在不同頻率下,2mm鋼板S0模態(tài)的群速度,與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,吻合狀況較好。利用掃頻的方法,基于頻散曲線的理論,確定了合適的激勵(lì)電壓和頻率。使用對稱激勵(lì)Lamb波的損傷檢測方法,通過得到的完整鋼板試件信號(hào)和損傷鋼板試件信號(hào)以及差信號(hào),利用橢圓定位法的原理,對鋼板點(diǎn)狀損傷、線性裂紋損傷以及焊接鋼板線性裂紋裂紋損傷進(jìn)行定位,再同時(shí)基于數(shù)據(jù)融合的原理,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行損傷模擬,得到損傷模擬結(jié)果均與實(shí)際損傷位置吻合較好。
【圖文】：

1.1 概述大跨度橋梁由于長期承受反復(fù)的交通荷載作用，易產(chǎn)生多種形式的破壞，而作為典型交變應(yīng)力作用下的工程結(jié)構(gòu)，大跨度橋梁的疲勞損傷是其中最主要的形式之一[1]。大跨橋梁疲勞破壞產(chǎn)生的原因解釋為構(gòu)件截面在反復(fù)交變荷載作用下削弱，進(jìn)而使疲勞裂紋根部應(yīng)力集中，同時(shí)材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，限制了塑性變形，當(dāng)反復(fù)荷載累計(jì)循環(huán)到一定次數(shù)時(shí)，材料的破壞同時(shí)表現(xiàn)為突然的脆性斷裂，裂紋會(huì)隨著時(shí)間的變化日益，一旦擴(kuò)展積累成開裂問題而又沒有及時(shí)被發(fā)現(xiàn)與處理，會(huì)有可能引發(fā)重大事故，同時(shí)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)影響。加上近年來交通量、車輛載重量都在大幅增加，使得大跨橋梁鋼箱梁的疲勞破壞日益嚴(yán)重[2]。例如, 1967 年美國西弗吉尼亞州的 PointPleasant 大橋由于疲勞裂紋引發(fā)的橋梁斷裂。1994 年 10 月 21 日，韓國圣水大橋的懸掛跨落水，也是疲勞破壞所致。2007 年，美國明尼蘇達(dá)州 1-35W 橋在有任何預(yù)警情況下突然斷裂，解體為 4 段。美國土木工程師學(xué)會(huì)(ASCE)的調(diào)查顯示，疲勞斷裂影響了80%-90%的鋼結(jié)構(gòu)破壞[3]。因此大跨橋梁結(jié)構(gòu)疲勞研究得到持續(xù)性關(guān)注。

圖 1.2 鋼箱梁面板典型裂紋位置根據(jù)形成原因，鋼箱梁易產(chǎn)生的裂紋可大致分成兩類，一類由于板件平面內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生屬于主應(yīng)力裂縫，例如縱肋與面板焊接處；另一類是由于板件平面外變形導(dǎo)致力變化屬于次應(yīng)力裂縫，如縱肋與橫肋交叉連接處或者面板焊接連接處[52]。.4 本文研究內(nèi)容本文根據(jù) Lamb 波的基本理論，，推導(dǎo)了頻散方程，同時(shí)使用數(shù)值計(jì)算方法利用 Ma制了 2mm 鋼板的頻散曲線。基于 Lamb 波的傳播特性，討論了對稱激勵(lì)激發(fā)單模amb 波實(shí)現(xiàn)的可能性，以及使用對稱激勵(lì) Lamb 波的方法對板狀結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)損別的優(yōu)點(diǎn)。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究的方法，對板狀結(jié)構(gòu)的點(diǎn)損傷、裂紋損傷以及鋼板中的裂紋損傷進(jìn)行了識(shí)別與檢測，均取得較好的效果。具體內(nèi)容如下：（1）第二章基于彈性波理論知識(shí)，介紹了幾種彈性波的定義和特征，研究了固的波的傳播規(guī)律，推導(dǎo)了波動(dòng)方程；利用位移勢函數(shù)的方法并且?guī)脒吔鐥l件推導(dǎo)amb 波在無約束自由板中的頻散方程。以 2mm 厚度的 Q235 鋼板為例，基于二分法
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U441

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2700202