超声导波在轨头中缺陷检测的有限元模拟研究

发布时间：2019-04-17 09:55

【摘要】：由于轨头缺陷导致了许多铁路事故,甚至发生列车脱轨的严重的后果。铁路行业的一个主要挑战是检测轨头的临界表面缺陷。在这样的背景下,常规的检测方法已被证明不够可靠的检测出临界表面缺陷。因此,本文的目的是建立一种方法对轨头缺陷进行准确性检测。方法是使用低频表面波扫描反射波检测。本文对导波在轨头厚度的钢板与轨头中的传播特性,频散曲线及缺陷检测做了研究,具体工作如下：首先阐述了导波检测的国内外现状。介绍了导波的基本理论,研究导波在钢板和钢轨中群速度的频散曲线。其次,阐述了使用ABAQUS数值模拟钢板中的导波传播基本过程,画出了有限元数值模拟分析的流程图,针对钢板中导波传播的有限元数值模拟仿真,简单的阐述了各个步骤的内容,特别是针对激励选择问题,选择了汉宁窗函数信号,有效的提高了仿真结果的辨识度,为此后数值模拟分析的结论做准备。然后通过建立二维有限元模型,首先详细的阐述了导波在钢板中传播数值模拟的具体参数,主要介绍网格划分和时间步长确定。分析了导波的频散现象,主要分析了频积厚在10MHz-mm左右范围内的仿真结果,分析频散现象之后速度最快模态的群速度大小,并且对其大小与理论结果进行对比,验证有限元仿真的准确性,钢板模型中导波群速度相对误差为0.66%,接着对有缺陷的钢板进行有限元仿真,利用导波在钢板中传播遇到缺陷的反射回波确定缺陷位置。仿真得到钢板中缺陷位置结果与真实缺陷位置的准确率达到0.54%。最后通过建立三维有限元模型,首先分析导波在轨头中传播的频散现象,突出分析了频率在20KHz时主要模态导波的群速度大小,并且与理论结果进行对比,验证三维有限元模型的准确性,轨头模型中导波群速度相对误差为4.19%,最后对有临界缺陷的轨头模型进行三维有限元仿真,利用导波在轨头中传播遇到缺陷的反射回波确定缺陷位置。仿真得到轨头中缺陷位置结果与真实缺陷位置的准确率为4.6%。并且进行了轨头模型中的频率优化选择,在探究轨头模型的传播特性时选择大于20kHz小于40kHz的中心频率激励信号进行计算与观察；当在对有无缺陷的轨头模型进行对比时,选择20KHz的激励信号最有利于计算与观察。导波在带缺陷的轨头模型的缺陷位置时选择激励信号中心频率为50KHz时,能得到最准确的观察结果。
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【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB553

【参考文献】