钢轨关键部位损伤监测技术研究

发布时间：2023-05-14 07:33

　　随着国内及国际铁路网规划与快速建设,铁路基础建设安全监测与状态监测技术对于确保铁路网运输安全具有重大意义。现役传统车载超声检测设备无法对钢轨进行全尺寸覆盖,尤其对于轨腰和轨底的损伤,从而导致漏检、误检及无法正确评估。本文结合压电超声导波检测技术和结构健康监测技术,研究钢轨轨腰、轨底和关键部位的损伤监测,实现对损伤的定位和定量分析。为了解决超声导波在复杂钢轨结构中由于频散现象造成的测量困难等问题,本文通过绘制钢结构的频散曲线,从模态数量、模态混叠、串扰影响、模态衰减等角度考虑,结合有限元仿真方法分析了轨腰和轨底在不同激励频率和不同传播距离下超声导波的传播特性,从中选择出合适的监测频率和传播距离,在此基础下,搭建了相关实验系统,实现了对轨底裂纹的长度的定量分析和轨腰区域损伤的定位成像,具体工作如下。建立了60轨和道岔尖轨的三维有限元仿真模型,分析轨腰中不同的激励频率及不同的检测距离下,超声导波的模态混叠对测量结果的影响,选择适合轨腰损伤检测的激励频率;在此基础上,建立包含不同长度裂纹的三维仿真模型,进一步分析轨底的裂纹长度与其信号在时、频域中互相关系数的关系。采用了基于WSN的钢轨结构健康...

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
注释表
缩略词
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 钢轨损伤检测技术与仪器设备研究现状
        1.2.2 超声导波钢轨检测的国内外研究现状
        1.2.3 结构健康监测技术研究现状
    1.3 论文的研究内容和章节安排
第二章 钢轨压电超声导波损伤监测基本原理
    2.1 压电双向耦合理论及压电传感器选型
        2.1.1 压电效应
        2.1.2 压电驱动与传感
        2.1.3 压电材料介绍
        2.1.4 PZT压电陶瓷晶片选型
    2.2 超声导波基本概念
        2.2.1 导波检测基本原理
        2.2.2 群速度和相速度
        2.2.3 多模态和频散特性
    2.3 钢轨超声导波频散曲线
        2.3.1 Lamb波频散方程
    2.4 ANSYS有限元软件及求解过程
        2.4.1 ANSYS有限元软件介绍
        2.4.2 ANSYS有限元基本求解过程
    2.5 基于WSN的钢轨关键部位损伤监测系统
        2.5.1 实验系统介绍
        2.5.2 传感器节点结构
    2.6 本章小结
第三章 钢轨中超声导波传播特性的数值分析
    3.1 钢轨和道岔有限元分析模型的建立
        3.1.1 三维模型的建立
        3.1.2 有限元网格单元尺寸和类型
        3.1.3 积分时间步长
        3.1.4 激励信号选取
    3.2 激励频率及传播距离选择对导波传播特性的影响
        3.2.1 激励信号频率对模态数量的影响
        3.2.2 模态间混叠的激励频率以及传播距离的选择
        3.2.3 信号串扰问题
    3.3 钢轨轨腰区域不同激励频率以及传播距离有限元分析
    3.4 本章小结
第四章 钢轨关键部位损伤检测数值仿真与实验
    4.1道岔尖轨轨底不同长度纵向裂纹导波检测数值仿真与实验
        4.1.1 道岔尖轨轨底纵向裂纹数值仿真分析
        4.1.2 道岔尖轨轨底不同长度纵向裂纹导波检测实验
    4.2 钢轨轨腰区域损伤监测
        4.2.1 损伤概率成像算法
        4.2.2 损伤因子
        4.2.3 钢轨轨腰区域监测传感阵列设计
        4.2.4 仿真损伤概率成像
        4.2.5 实验模拟损伤概率成像
    4.3 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文



本文编号：3817464