曲面板空气耦合冲击回波响应特性研究

发布时间：2020-09-22 13:20

　　随着我国交通事业的不断发展,隧道工程的应用十分广泛,由于设计缺陷、施工质量、荷载作用和结构自身老化等原因,隧道结构在其全寿命周期中不可避免地产生不同程度的缺陷和损伤,对隧道进行快速准确的损伤检测,对降低隧道维护成本,提高衬砌结构耐久性与可靠性,保障隧道正常运营功能至关重要。本文从气-固耦合的角度出发,以空气作为衬砌结构与检测系统之间应力波传播的耦合介质,开展基于空气耦合冲击回波的隧道衬砌内部损伤快速检测与评估研究。通过数值模拟、试验分析等方式对曲率、敲击小球直径、敲击点位置、缺陷深度等进行了较为全面的分析,论文主要研究成果如下:(1)针对不同曲率半径下的曲面板结构,分析结构冲击回波响应特性,对曲面板型结构的空气耦合冲击回波法的适用性进行了数值模拟的研究。研究发现,当曲面板的曲率直径和厚度比达到20以上时敲击点局部发生的冲击回波模态与平板结构基本相同,而曲率半径较小时曲率不在是可忽略的因素,对冲击回波频率影响较大。(2)采用数值模拟和试验相结合的手段,对曲面板损伤检测中激励小球的直径、敲击点位置、传感器距敲击点距离以及不同深度下的各种缺陷等多种工况进行了对比分析。敲击钢球直径越大其产生的入射波频率越低,衰减越慢,而小直径钢球激发的应力波衰减较快只能检测出浅层的缺陷;敲击点与缺陷的相对位置对响应信号的峰值频率影响较小;冲击回波漏泄波在空气中衰减很快,因此麦克风距敲击点越近接收的信号能量越强检测效果越好;对于不同深度的缺陷,深层缺陷的冲击回波主频率与理论值契合度较高,而浅层缺陷回波经分析其主要是频率较低的弯曲模态响应。(3)由于敲击力度、位置等具有一定的随机性,空气耦合冲击回波主频往往也表现出一定的随机性,传统的基于冲击回波主频进行损伤成像的方法往往由于信号峰值频率的波动产生较大的误差,本文就这一问题提出了一种对成像判定指标的改进方法,该方法考虑无缺陷处频率的波动范围,引入带通滤波器并最终依据其峰值能量的比值形成新的判定指标,随后分别对一块平面板和一块标准地铁隧道曲面衬砌进行了损伤成像验证,研究发现,利用本方法进行损伤成像结果,其缺陷的辨识范围更加准确。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U451
【部分图文】：

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气耦合冲击回波法理论背景heoretical Background of Air-Coupled Impactho Method应力波在半无限体中的传播规律（Propagation Law of Se in Semi-Infinite Body）应力波在可变形的弹性固体介质中可分为弹性波和塑性波，当应力与应关系时，称之为弹性波，当应力与应变呈非线性关系时，称为塑性波表面施加一个冲击力时，会在物体内部产生三种不同类型的应力波。它半无限的平面弹性体中表现为沿着自由边界表面传播的表面波（R 简称 R 波）和在弹性介质内部传播的体波（Body wave），其中体波又波（compression wave 或 primary wave 简称 P 波）和剪切波（Shear w波）。应力波的分布如图 2-1 所示。

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图 2-2 冲击荷载时程曲线Figure 2-2 Time history curve of impact load 和式 2.8 可得冲击锤半径越小能够产生的最大有效频越低波长越长。因此，较大的冲击锤能够产生波长较产生的能量也更强。实际检测中，应当根据检测构件效频率，并依此来确定合适直径的冲击锤。江[73]等人的研究确定了冲击锤直径与最大有效频率 =291 为动荷载产生的最大有效频率（单位 Hz），D 为冲传播同样需要依存于介质，因此应力波同样遵循于普波的波长和频率符合下面公式： = 为应力波波速，为应力波的波长，应力波的频率

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模态（IEmode）。通过放置在敲击位置附近的接触式传感器记录冲击回波的时域信号，并将接收到的时域信号用快速傅里叶变换（FFT）转换到频域谱，频谱中的峰值频率将对应于冲击回波模态的频率，冲击回波法原理示意图如图2-4所示。占主导模态的冲击回波频率用来检测结构的厚度，厚度和频率的方程如下： = 2 (2.15)式中，H 为混凝土板的厚度，为混凝土内部 P 波的波速，为 FFT 变换得到频谱的主频率，为形状系数，在平面板结构中取 0.96。当一块无缺陷的板厚为已知，根据公式（2.10）可以推算出该厚度所对应的冲击回波主频率。相反的

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