采用光纤光栅测量轨道结构受力特性的研究

摘要

光纤光栅是一种波长调制型的滤波器件，因其具有抗电磁干扰能力强、占用质量轻、空间小、绝缘性能好、能多点复用、能埋入待测结构内部等优点，目前已经在大型工程结构的健康监测中得到了广泛的使用。本文在高铁路基动力学足尺(1∶1)实验模型平台上，采用光纤光栅传感技术对钢轨的受力特性进行了相关的研究;同时，用圆柱形钢筋模拟轨道扣件螺栓的受力情况，这对分析和诊断高铁轨道结构的稳定性以及安全性具有深远的意义。
　　本文研究的工作主要包含在以下三个方面之中:
　　(1)将钢轨简化为简支梁模型，通过Abaqus有限元分析软件(Finite elementanalysis software)对该简化模型进行受力仿真，得出在荷载作用下钢轨沿轴向的应力分布情况，并以此仿真结果作为参考依据，将光纤Bragg光栅粘贴于实验室高铁路基足尺实验模型的钢轨上进行实验。通过激振器模拟不同加载条件，测量不同车重和车速荷载作用下轨道的受力变化情况。从实验结果中可以看出，现有模型的轨道系统存在13Hz左右的固有频率，对应于252km/h的列车车速。当车速达到这一特征速度时，钢轨所受到的应力最大。
　　(2)分别对光纤光栅的应变以及温度传输特性理论进行了系统分析。为了解决螺杆等圆柱形物体表面的温度补偿问题，以材料的泊松比v为线索，基于圆柱形物体表面的轴向应变与环向应变的比值|εh/εa|等于待测物材料的泊松比v这一关系，设计了一种应用于螺杆等圆柱形物体表面双光纤Bragg光栅应变检测方案。这种双光纤Bragg光栅结构的应变传感器能够根据材料的泊松比v实现温度的补偿，进而测得圆柱形物体表面应变的大小。
　　(3)研究了用扣件螺栓的螺杆表面的轴向应变大小来反映轨道扣件对钢轨紧固程度的可行性。为了验证本文提出的温度补偿方方案，将螺栓的螺杆部分用同材料的圆柱形钢条代替，把所设计结构的应变传感器应用于钢条上，并通过对钢条拉伸实验获得了其表面轴向应变的大小。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 光纤光栅的发展历程

1．2 光纤光栅的种类及写入方法

1．2．1 光纤光栅的种类

1．2．2 光纤光栅的写入方法

1．3 光纤光栅的理论概述

1．3．1 光纤Bragg光栅的耦合模理论

1．3．2 光纤Bragg光栅的数值分析方法

1．4 光纤光栅在轨道交通领域中的应用

1．5 本文的主要工作及创新点

第2章 光纤Bragg光栅应变传感器的基本原理与分析

2．1 光纤Bragg光栅应变传感器的研究意义和现状

2．1．1 光纤Bragg光栅应变传感器的研究意义

2．1．2 光纤Bragg光栅应变传感器的研究现状

2．2 光纤Bragg光栅解调方法简介

2．2．1 边沿滤波器解调法

2．2．2 干涉仪扫描法

2．2．3 可调谐滤波器法

2．2．4 CCD空间光谱检测法

2．2．5 扫描激光法

2．3 光纤Bragg光栅的传输特性分析

2．3．1 光纤Bragg光栅应变传输特性分析

2．3．2 光纤Bragg光栅温度传输特性分析

2．3．3 光纤Bragg光栅应变-温度交叉敏感解决方法介绍

2．4 本章小结

第3章 采用光纤Bragg光栅应变传感器的轨道结构受力特性的研究

3．1 研究背景

3．2 高铁路基动力学模型介绍

3．2．1 模型介绍

3．2．2 列车荷载的模拟

3．2．3 列车速度的模拟

3．3 轨道结构受力特性研究的布设方案

3．3．1 光纤Bragg光栅应变传感器的工作原理

3．3．2 关于轨道结构受力特性的Abaqus有限元仿真

3．3．3 光纤Bragg光栅传感器的现场布设

3．4 单轴动力荷载作用下的受力特性研究

3．4．1 实验过程

3．4．2 数据处理与分析

3．5 移动荷载作用下的受力特性研究

3．5．1 实验过程

3．5．2 数据处理与分析

3．6 本章小结

第4章 光纤Bragg光栅用于监测轨道扣件螺栓的受力情况的研究

4．1 研究背景

4．2 光纤Bragg光栅应变传感器的结构设计与测量原理分析

4．2．1 光纤Bragg光栅应变检测方案的设计

4．2．2 光纤Bragg光栅应变检测方案测量原理分析

4．2．3 关于扣件螺栓模型受力特性的Abaqus有限元仿真

4．3 采用光纤Bragg光栅应变检测方案的螺栓受力情况的研究

4．3．1 实验过程

4．3．2 数据处理与分析

4．4 光纤Bragg光栅应变检测方案精度优化的实验研究

4．4．1 光纤Bragg光栅应变检测方案的精度优化分析

4．4．2 光纤Bragg光栅应变检测方案的温度敏感系数的测量过程

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 现状与展望

参考文献

致谢