本文關(guān)鍵詞：基于超聲導(dǎo)波的機械結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)發(fā)展并積累到一定程度,將會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效。因此,實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)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(yīng)用價值。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、損傷檢測和識別等方面。在多種檢測技術(shù)之中,基于導(dǎo)波(Guided Wave,GW)結(jié)構(gòu)健康檢測方法是公認的對結(jié)構(gòu)損傷進行實時檢測和識別的有效工具。該技術(shù)涉及數(shù)學、力學、測試與傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)等多個學科,是一項融合多學科的技術(shù)。H型鋼和鋼管時典型的結(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、有限元仿真和實驗研究的方法,針對H型鋼和鋼管結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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(nèi)容如下:1、研究了結(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(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,并對激勵信號的選擇進行初步分析。最后進行了結(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)波傳播機理及損傷定位。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、時域分辨率、各模式幅值、波的結(jié)構(gòu)等角度進行分析,為基于超聲導(dǎo)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(jù)。建立H型鋼三維有限元模型,分析H型鋼中導(dǎo)波傳播機理,分析H型鋼翼緣與板腹導(dǎo)波之間的相互耦合及較強的邊界反射效應(yīng)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(jù)有限元建模計算結(jié)果,采取整周激勵,設(shè)計一個基于相對距離的概率密度的損傷定位成像方法,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(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播機理及損傷定位。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)波傳播機理,分析軸對稱對導(dǎo)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(jù)仿真結(jié)果進行試驗以驗證仿真的有效性。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)軌跡的相對距離大小為基礎(chǔ),構(gòu)造損傷概率密度函數(shù),進而實現(xiàn)損傷定位成像,最后分析影響定位誤差的因素。
【關(guān)鍵詞】：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 導(dǎo)波 損傷定位檢測 PZT傳感器 Lamb波
【學位授予單位】：長安大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG115.28
【目錄】：

• 摘要4-6
• 英文摘要6-10
• 第一章 緒論10-21
• 1.1 研究背景及意義10-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-19
• 1.2.1 基于超聲導(dǎo)波結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測12-19
• 1.3 本論文研究工作19-21
• 第二章 導(dǎo)波基本理論與仿真建模21-46
• 2.1 引言21
• 2.2 彈性應(yīng)力波基本理論21-23
• 2.3 板中導(dǎo)波頻散方程23-28
• 2.3.1 Lamb波頻散方程24-27
• 2.3.2 SH波頻散方程27-28
• 2.4 空心圓柱體中導(dǎo)波頻散方程28-35
• 2.4.1 縱向?qū)Рl散方程28-32
• 2.4.2 周向?qū)Рl散方程32-35
• 2.5 激勵信號的選擇35-38
• 2.5.1 導(dǎo)波頻散曲線35-37
• 2.5.2 激勵信號特征37-38
• 2.6 有限元建模38-45
• 2.6.1 結(jié)構(gòu)損傷建模38-39
• 2.6.2 導(dǎo)波傳播過程仿真建模39-40
• 2.6.3 導(dǎo)波傳播仿真參數(shù)選擇40-41
• 2.6.4 PZT換能器建模41-45
• 2.7 本章小結(jié)45-46
• 第三章H型鋼超聲導(dǎo)波傳播機理及損傷定位46-69
• 3.1 引言46-47
• 3.2 激勵頻厚積選擇47-55
• 3.2.1 導(dǎo)波模式48-50
• 3.2.2 時域分別率50
• 3.2.3 各模式幅值50-52
• 3.2.4 波的結(jié)構(gòu)52-55
• 3.3 H型工字鋼中導(dǎo)波傳播特性55-60
• 3.3.1 雙PZT對稱激勵導(dǎo)波傳播特征55-57
• 3.3.2 整周激勵導(dǎo)波傳播特征57-58
• 3.3.3 激勵方式選擇仿真結(jié)果58-60
• 3.4 基于概率密度的損傷定位60-65
• 3.4.1 定位算法60-62
• 3.4.2 仿真分析62-65
• 3.5 實驗分析65-68
• 3.6 本章小結(jié)68-69
• 第四章 管道中超聲導(dǎo)波傳播機理及損傷定位69-93
• 4.1 引言69
• 4.2 激勵信號頻率選擇69-77
• 4.2.1 導(dǎo)波模態(tài)/模式72
• 4.2.2 避免截止區(qū)域72-73
• 4.2.3 波的結(jié)構(gòu)73-76
• 4.2.4 導(dǎo)波群速度76-77
• 4.3 單激勵導(dǎo)波傳播特性77-80
• 4.4 損傷定位方法與結(jié)果80-88
• 4.4.1 定位算法80-86
• 4.4.2 仿真分析86-88
• 4.5 損傷定位誤差分析88-90
• 4.5.1 損傷大小的影響88
• 4.5.2 周向距離的影響88-90
• 4.6 實驗案例90-92
• 4.7 本章小結(jié)92-93
• 總結(jié)與展望93-95
• 全文研究總結(jié)93-94
• 研究展望94-95
• 參考文獻95-103
• 攻讀博士學位期間已發(fā)表或錄用的論文103-104
• 致謝104

【參考文獻】

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本文編號：358470