磁致伸缩导波技术在纤维增强塑料锚杆中的应用

发布时间：2020-06-22 23:49

【摘要】：纤维增强塑料(FRP)锚杆通常被应用于铁路、矿山和其他地下工程支护及边坡护理中,提升了工程的安全技术水平。在实际岩土工程中,FRP锚杆从本质上解决了钢铁锚杆锈蚀的问题,但由于施工破坏和自然条件的影响,FRP锚杆会出现诸多缺陷问题如断裂等情况,从而造成安全隐患。本文基于铁磁性材料的磁致伸缩效应设计了磁致伸缩换能器,将磁致伸缩导波技术应用于FRP锚杆无损检测,并通过数值模拟和实验方式对FRP锚杆进行了质量分析,测试结果为磁致伸缩导波技术在FRP锚杆无损检测的实际工程应用中提供了重要依据。本文研究具体内容如下:(1)阐述了磁致伸缩的基本原理、超声导波的基本概念、导波在FRP锚杆内传播的多模态特性和频散现象。根据频散方程和导波的应力方程绘制了导波在FRP锚杆中传播的频散曲线和导波传播过程中的功率流、位移分布,以及各模态导波在传播过程中的形态。(2)根据纵向导波基本方程设计了纵向导波磁致伸缩换能器,通过理论分析了铁磁性材料的磁致伸缩系数对磁致伸缩换能器效率的影响。建立了三种不同铁磁性材料换能器的有限元模型,通过数值模拟的方式分析了材料对换能器效率的影响。根据扭转导波的位移载荷原理,以施加位移力的方式在FRP锚杆内产生并接收扭转导波,验证了扭转导波检测FRP锚杆的有效性并确定其最佳检测频率。(3)搭建了基于磁致伸缩激励的FRP锚杆检测实验系统,激励并采集导波信号。针对回波信号信噪比低、特征不明显的问题,利用变分模态分解-最小均方误差估计(VMD-MMSE)算法完成滤波,分析对比得出,与传统经验模态分解(EMD)算法相比,经VMD-MMSE滤波后的回波信噪比得到了提升。通过实验的方式改变激励、接收线圈的匝数,调整静态、偏置磁场的作用区域,对磁致伸缩换能器进行优化,同时在FRP锚杆内产生扭转导波并对FRP进行实验检测。结果表明,磁致伸缩导波技术可应用于FRP锚杆检测。
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU476
【图文】：

频散曲线,频散曲线,锚杆,导波

-11-知，L(0,2)模态导波在低频阶段随频率变化导波导波传播时的确切波速，虽然 F(1,1)模态导波于时实际装置中较难实现[28]。L(0,1)纵向模态低频确值。扭转导波 T(0,1)激发方式较复杂，但在三的，且在 FRP 锚杆内传播过程中能量衰减较小，适用于锚固质量检测。磁致伸缩导波信号微弱波在遇到 FRP 锚杆与锚固界面耦合处不会发生波模态和弯曲导波更易于信号处理。导波在 FRP 锚杆内应力、功率分布波在各向同性、均匀、弹性的 FRP 锚杆内传播rθ，其运动方程如式(2-12) ~ (2-15)所示[29-30]：

位移分布,导波,位移分布,锚杆

2 2 2 2= ω/ Tq c k i(ωt-θ 1 1u = AZ ( r) + BW ( r) e q q ( 2 2[ ( ) ( )]ωθτ μ= +i rq AZ qr BW qr e 2/Tc = μ ρ的半径；μ 为 FRP 锚杆的剪切模量锚杆的横波速度；ω 为圆频率； ρ函数；k 为轴向的波数。导波、T(0,1)模态导波在 FRP 锚杆内 30 kHz，FRP 锚杆半径为 10 mm，(0,1)纵向模态导波，在 FRP 锚杆内位移ru 比轴向位移zu 较大，经向位移匀，轴向位移在 FRP 锚杆外表面的

【参考文献】