基于频率波数域的混凝土结构损伤快速逆时成像方法

发布时间：2017-06-25 19:09

  本文关键词：基于频率波数域的混凝土结构损伤快速逆时成像方法，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大型建筑设施中的混凝土结构因设计和施工过程中的瑕疵及其在长期服役中受到外界载荷和环境影响等作用,极易产生各类损伤(如裂缝、孔隙、变形等),损伤的累积会导致整个混凝土结构失效,甚至会导致灾难性事故的发生。时间逆转(time-reversal)损伤成像方法具有定位准确、操作简单的优势。该方法于1992年被Fink首次提出并已经成功应用于结构健康监测中的损伤定量成像,但在混凝土超声检测中仍存在检测效率低下、信噪比过低等诸多难题。针对何快速、准确地检测混凝土结构中损伤的挑战,本文旨在提高混凝土结构超声检测的定位精度与计算效率,并基于时间逆转技术,结合频率波数(frequency-wavenumber,f-k)域内的互相关成像法,针对混凝土内部结构中的圆形损伤,从理论、仿真和实验等方面对基于频率波数域的逆时互相关成像方法进行研究,主要包括:首先,介绍了常规无损检测方法以及混凝土结构损伤的各种常规超声检测方法的优缺点及其适用性,讨论了超声成像技术中时间逆转成像法的发展趋势、背景和意义,给本文研究指明了方向。第二,介绍了混凝土超声检测的背景知识包括混凝土结构中的各类常见损伤,介绍了固体中各种波的存在形式,分析了固体中纵波的波动方程,讨论了换能器的相关知识以及正、逆压电效应,阐述了信号后处理的主要方法,为混凝土结构损伤成像奠定了基础。第三,分析了时间逆转聚焦技术的原理,基于波动方程与格林函数,推导了散射、入射场公式。通过COMSOL平台仿真得到回波数据,并结合时间逆转互相关成像条件,在频域波数域内实现对混凝土内部损伤的快速成像,与时域内传统时间逆转法和多重信号分类(MUSIC)法相比,本方法明显提升了成像的计算效率,其定位精度亦略高于多重信号分类。与此同时,构建了实验平台,通过实验获取了相关损伤信号,并通过插值等信号处理手段,验证了该技术应用于混凝土结构损伤检测的可行性。最后,对全文所做的研究进行了总结,对研究中存在的问题以及后续的研究方向进行了展望。
【关键词】：混凝土损伤定位 时间逆转技术 频率波数域 互相关快速成像
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU317;TU37
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 主要符号表12-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 课题来源13
• 1.2 研究背景13-14
• 1.3 混凝土结构无损检测常用方法14-19
• 1.4 超声损伤聚焦及图像重构技术研究趋势19-22
• 1.5 本文研究的主要内容22-23
• 第二章 混凝土结构超声波检测的背景知识23-33
• 2.1 混凝土结构常见损伤23-24
• 2.1.1. 分层和剥离23
• 2.1.2. 裂缝23-24
• 2.1.3. 蜂窝和孔洞24
• 2.2 固体中的弹性波24-25
• 2.2.1. 理论24
• 2.2.2. 超声波的分类24-25
• 2.3 弹性波控制方程25-29
• 2.4 超声波的激发与接收29-32
• 2.4.1. 正压电效应29-30
• 2.4.2. 逆压电效应30-31
• 2.4.3. 常用超声换能器种类31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 信号处理方法33-42
• 3.1 损伤检测信号分析方法33-38
• 3.1.1. 时域分析33
• 3.1.2. 频域分析33-34
• 3.1.3. 时频分析34-38
• 3.2 信号插值38-41
• 3.3 本章小结41-42
• 第四章 频率波数域的互相关逆时成像法及数值模拟42-56
• 4.1 时间逆转技术42-46
• 4.1.1. 基于频率波数域的互相关逆时成像43-46
• 4.2 距离分辨率46-47
• 4.3 方位分辨率47-48
• 4.4 仿真研究48-55
• 4.4.1. 有限元模型48-50
• 4.4.2. 混凝土模型的数值模拟50-53
• 4.4.3. 损伤成像53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 频率波数域的互相关逆时成像的实验研究56-63
• 5.1 搭建实验平台56-58
• 5.1.1. 实验试样制备56-57
• 5.1.2. 实验设备与仪器57-58
• 5.2 实验步骤58-60
• 5.2.1. 获取数据58-59
• 5.2.2. 信号处理59-60
• 5.3 实验成像结果与分析60-62
• 5.3.1. 成像结果60-61
• 5.3.2. 成像结果分析61-62
• 5.4 本章小结62-63
• 第六章 总结与展望63-65
• 6.1 总结63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-71
• 致谢71-72
• 攻读硕士期间发表的主要论文72

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