基于对称激励Lamb波的钢板损伤识别方法

发布时间：2020-06-06 20:12

【摘要】：在钢箱梁结构中,钢板作为重要的结构构件之一,如果钢板发生损伤则成为了整体结构的重大隐患,为了避免不必要的经济损失与人身伤害,如何准确、有效、及时的检测出损伤是本文研究的重要课题。本文利用对称激励Lamb波检测系统分别对钢板点状损伤和裂纹损伤以及焊接钢板的裂纹损伤进行了深入研究,通过数值模拟与实验研究相结合的方法,讨论了对称激励Lamb波的检测系统对钢板以及焊接钢板损伤检测的可行性及准确性。首先,根据弹性动力学的理论知识,通过位移势函数的方法推导出了Lamb波的频散方程。同时运用二分法的数学思想,编写程序利用MATLAB得出Lamb波频散方程的数值解,得到了Lamb波在2mm钢板中传播的各个模态的群速度和相速度。基于Lamb波的传播特性,从理论角度分析了对称激励与反对称激励得到单模态Lamb波的可能性,同时从压电片之间距离和边界反射两个角度探讨了压电片的优化布置。其次,根据Lamb波的传播特性,利用ABAQUS/Explict动力显示分析,对钢板模型进行建模以及仿真分析。对激励信号、仿真中网格划分和时间步的确定方法进行了说明,模拟了单模态Lamb波在完整模型和损伤模型中的传播过程与效果,并根据其传播特点,通过椭圆损伤定位方法确定了钢板模型中点状损伤和裂纹损伤的位置。通过对比不同长度线性裂纹的损伤成像模拟,验证了信号传播也符合光学中的费马定理,得到了对应该PZT传感器布置下可检测的最大线性裂纹长度。同时,在钢板裂纹检测的基础上,拓展为焊接钢板的裂纹损伤检测,验证虽然波形反射增多,更加复杂,但仍然可以模拟定位出损伤位置。研究了焊缝单元的增加对接收信号与损伤检测结果的影响,得出增加焊缝单元使接收信号的非焊缝反射区能量减小,焊缝反射区能量增加的结论。并运用数据融合的方法模拟裂纹损伤,利用Matlab编程模拟得到裂纹损伤的损伤成像,结果与实际吻合度较好。最后,建立了对称激励Lamb波的损伤检测实验平台。根据理论分析,在实验中采用对称激励,得到近似单模态的Lamb波回波。对回波进行分析,得到各波包成分,并通过定量分析,计算出在不同频率下,2mm钢板S0模态的群速度,与理论计算结果进行比较,吻合状况较好。利用扫频的方法,基于频散曲线的理论,确定了合适的激励电压和频率。使用对称激励Lamb波的损伤检测方法,通过得到的完整钢板试件信号和损伤钢板试件信号以及差信号,利用椭圆定位法的原理,对钢板点状损伤、线性裂纹损伤以及焊接钢板线性裂纹裂纹损伤进行定位,再同时基于数据融合的原理,对实验结果进行损伤模拟,得到损伤模拟结果均与实际损伤位置吻合较好。
【图文】：

大跨桥梁,疲劳破坏,案例

1.1 概述大跨度桥梁由于长期承受反复的交通荷载作用，易产生多种形式的破坏，而作为典型交变应力作用下的工程结构，大跨度桥梁的疲劳损伤是其中最主要的形式之一[1]。大跨桥梁疲劳破坏产生的原因解释为构件截面在反复交变荷载作用下削弱，进而使疲劳裂纹根部应力集中，同时材料处于三向拉伸应力状态，限制了塑性变形，当反复荷载累计循环到一定次数时，材料的破坏同时表现为突然的脆性断裂，裂纹会随着时间的变化日益，一旦扩展积累成开裂问题而又没有及时被发现与处理，会有可能引发重大事故，同时造成一定的经济损失与社会影响。加上近年来交通量、车辆载重量都在大幅增加，使得大跨桥梁钢箱梁的疲劳破坏日益严重[2]。例如, 1967 年美国西弗吉尼亚州的 PointPleasant 大桥由于疲劳裂纹引发的桥梁断裂。1994 年 10 月 21 日，韩国圣水大桥的悬挂跨落水，也是疲劳破坏所致。2007 年，美国明尼苏达州 1-35W 桥在有任何预警情况下突然断裂，解体为 4 段。美国土木工程师学会(ASCE)的调查显示，疲劳断裂影响了80%-90%的钢结构破坏[3]。因此大跨桥梁结构疲劳研究得到持续性关注。

频散曲线,裂纹位置,钢箱梁,面板

图 1.2 钢箱梁面板典型裂纹位置根据形成原因，钢箱梁易产生的裂纹可大致分成两类，一类由于板件平面内应力产生属于主应力裂缝，例如纵肋与面板焊接处；另一类是由于板件平面外变形导致力变化属于次应力裂缝，如纵肋与横肋交叉连接处或者面板焊接连接处[52]。.4 本文研究内容本文根据 Lamb 波的基本理论，，推导了频散方程，同时使用数值计算方法利用 Ma制了 2mm 钢板的频散曲线。基于 Lamb 波的传播特性，讨论了对称激励激发单模amb 波实现的可能性，以及使用对称激励 Lamb 波的方法对板状结构、焊接结构损别的优点。通过数值模拟与实验研究的方法，对板状结构的点损伤、裂纹损伤以及钢板中的裂纹损伤进行了识别与检测，均取得较好的效果。具体内容如下：（1）第二章基于弹性波理论知识，介绍了几种弹性波的定义和特征，研究了固的波的传播规律，推导了波动方程；利用位移势函数的方法并且带入边界条件推导amb 波在无约束自由板中的频散方程。以 2mm 厚度的 Q235 钢板为例，基于二分法
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441

【参考文献】