基于超声导波的机械结构健康监测机理研究

发布时间：2017-05-12 01:12

  本文关键词：基于超声导波的机械结构健康监测机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：大型工程结构安全性问题日益凸显。一旦结构关键部位的早期损伤未能及时发现而继续发展并积累到一定程度,将会导致整个结构的突发性失效。因此,实时监测结构的健康状况,准确识别初始微小裂纹,具有重要的理论意义和应用价值。近二十年来,结构健康监测相关的技术不断发展并逐步应用于结构状态监测、异常检查、损伤检测和识别等方面。在多种检测技术之中,基于导波(Guided Wave,GW)结构健康检测方法是公认的对结构损伤进行实时检测和识别的有效工具。该技术涉及数学、力学、测试与传感技术、信号处理技术等多个学科,是一项融合多学科的技术。H型钢和钢管时典型的结构元件。对于常用的H型钢和对称钢管来说,H型钢结构板腹与翼缘的导波相互耦合、连接处的几何非线性,轴对称的圆管结构存在周向与纵向两种不同形式的导波,这都加大了导波损伤监测难度。本论文采用理论分析、有限元仿真和实验研究的方法,针对H型钢和钢管结构的导波传播机理进行研究,并对损伤定位进行了实验和误差分析。主要研究内容如下:1、研究了结构损伤及导波传播的建模问题。首先分析理想板、空心圆柱体等结构中导波的各个模式的频散方程与传播特点,其中包含板中的Lamb波和SH波,钢管的纵向模态导波、扭转模态导波、弯曲模态导波、周向Lamb波、周向SH波。然后利用数值方法绘制频散曲线,并对激励信号的选择进行初步分析。最后进行了结构损伤建模、导波传播有限元仿真及PZT建模,为后续基于导波的H型钢、管道等结构监测的研究提供理论基础和技术支撑。2、研究了H型钢中导波传播机理及损伤定位。以理想的板结构中的导波频散方程为基础,从导波模式、时域分辨率、各模式幅值、波的结构等角度进行分析,为基于超声导波的H型钢损伤识别与定位的激励信号选择提供理论依据。建立H型钢三维有限元模型,分析H型钢中导波传播机理,分析H型钢翼缘与板腹导波之间的相互耦合及较强的边界反射效应的影响,对比两点对称激励与整周激励的效果,并验证前面激励信号选择的有效性。根据有限元建模计算结果,采取整周激励,设计一个基于相对距离的概率密度的损伤定位成像方法,并通过实验进行验证,最后分析定位误差的影响因素。3、研究了管结构中导波传播机理及损伤定位。通过分析空心圆柱体结构中的各种模式的传播特征,综合导波模式、截止区域、波的结构、群速度等方面因素选择激励信号频率。建立管结构三维有限元模型,分析管道中导波传播机理,分析轴对称对导波传播的影响。采用单点激励、多点接收的方法进行有限元仿真,根据仿真结果进行试验以验证仿真的有效性。根据响应波的飞行距离确定各传感路径得到的损伤轨迹,以对应轨迹的相对距离大小为基础,构造损伤概率密度函数,进而实现损伤定位成像,最后分析影响定位误差的因素。
【关键词】：结构健康监测 导波 损伤定位检测 PZT传感器 Lamb波
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG115.28
【目录】：

• 摘要4-6
• 英文摘要6-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-19
• 1.2.1 基于超声导波结构健康监测12-19
• 1.3 本论文研究工作19-21
• 第二章 导波基本理论与仿真建模21-46
• 2.1 引言21
• 2.2 弹性应力波基本理论21-23
• 2.3 板中导波频散方程23-28
• 2.3.1 Lamb波频散方程24-27
• 2.3.2 SH波频散方程27-28
• 2.4 空心圆柱体中导波频散方程28-35
• 2.4.1 纵向导波频散方程28-32
• 2.4.2 周向导波频散方程32-35
• 2.5 激励信号的选择35-38
• 2.5.1 导波频散曲线35-37
• 2.5.2 激励信号特征37-38
• 2.6 有限元建模38-45
• 2.6.1 结构损伤建模38-39
• 2.6.2 导波传播过程仿真建模39-40
• 2.6.3 导波传播仿真参数选择40-41
• 2.6.4 PZT换能器建模41-45
• 2.7 本章小结45-46
• 第三章H型钢超声导波传播机理及损伤定位46-69
• 3.1 引言46-47
• 3.2 激励频厚积选择47-55
• 3.2.1 导波模式48-50
• 3.2.2 时域分别率50
• 3.2.3 各模式幅值50-52
• 3.2.4 波的结构52-55
• 3.3 H型工字钢中导波传播特性55-60
• 3.3.1 双PZT对称激励导波传播特征55-57
• 3.3.2 整周激励导波传播特征57-58
• 3.3.3 激励方式选择仿真结果58-60
• 3.4 基于概率密度的损伤定位60-65
• 3.4.1 定位算法60-62
• 3.4.2 仿真分析62-65
• 3.5 实验分析65-68
• 3.6 本章小结68-69
• 第四章 管道中超声导波传播机理及损伤定位69-93
• 4.1 引言69
• 4.2 激励信号频率选择69-77
• 4.2.1 导波模态/模式72
• 4.2.2 避免截止区域72-73
• 4.2.3 波的结构73-76
• 4.2.4 导波群速度76-77
• 4.3 单激励导波传播特性77-80
• 4.4 损伤定位方法与结果80-88
• 4.4.1 定位算法80-86
• 4.4.2 仿真分析86-88
• 4.5 损伤定位误差分析88-90
• 4.5.1 损伤大小的影响88
• 4.5.2 周向距离的影响88-90
• 4.6 实验案例90-92
• 4.7 本章小结92-93
• 总结与展望93-95
• 全文研究总结93-94
• 研究展望94-95
• 参考文献95-103
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文103-104
• 致谢104

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：358470