基于S0模态Lamb波的钢结构裂纹损伤识别研究

摘要

钢结构作为实际工程中不可代替的重要结构构件，它的损伤会给工程带来重大的安全隐患及经济损失，因此对钢结构进行损伤识别及研究具有重大意义。在结构健康监测领域内，无损检测中的声发射技术具有定位损伤的能力，本文采用导波中的Lamb波作为声发射信号，对钢结构进行监测及损伤识别。 首先，利用弹性动力理论对波动方程进行了推导，建立了Lamb波的频散方程。利用MATLAB软件对频散方程进行求解，并根据求解结果绘制出了4mm厚钢板的群速度与相速度的频散曲线，确定截止频率，为模拟和实验奠定了基础。 其次，利用有限元软件ABAQUS对钢板进行仿真分析。确定激励信号的窗函数、中心频率及周期等参数;通过对比不同网格尺寸下的模拟结果，选取最适宜的网格尺寸;模拟S0模态Lamb波在完整钢板与点损伤钢板中的传播过程，定位损伤，验证了椭圆定位法的准确性;对比频散曲线的群速度，验证了S0模态群速度在模拟中的正确性。通过Lamb波的传播特点，对钢板双裂纹损伤进行模拟，根据费马原理及Hilbert变换，对双损伤进行损伤识别及成像模拟，得到了与实际较为吻合的成像结果;将钢板引申为焊接钢板，虽然Lamb波在焊缝处会发生反射和透射现象，使得对损伤的定位较为困难，但采用差信号的方式对信号进行处理，仍然可以得到吻合较好的成像结果，并通过对比传播过程中信号的振幅，得出在焊缝处发生透射的信号能量减小的结论。 确定了Lamb波的监测实验方案。对实验过程中激励信号的频率、振幅、运行模式、触发间隔等参数进行确定。根据理论分析，在实验中采用对称激励，并将计算出的S0模态的群速度，与理论结果、模拟结果进行比较，吻合状况较好。采用对称激励Lamb波的损伤检测方法，根据Hilbert信号变换法，差信号法，及椭圆定位法，对双裂纹钢板损伤及焊接钢板裂纹损伤进行损伤定位及损伤成像，均得到与实际吻合较好的成像结果。 最后，对传感器的布置进行研究。通过理论分析对传感器间距离进行优化，同时也对传感器或裂纹与边界之间的距离进行分析优化。并将优化结果应用到数值模拟中，根据模拟结果验证了优化的准确性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1概述

1．2无损检测

1．3论文研究背景及意义

1．4国外研究现状

1．5国内研究现状

1．6本文研究内容

第2章Lamb波基本理论及损伤识别方法

2．1 Lamb波理论

2．1．1 Lamb波在板中的传递

2．1．2弹性动力理论

2．1．3 Lamb波的频散现象

2．2频散曲线的绘制

2．2．1 Lamb波的群速度和相速度

2．2．2频散曲线

2．3单模态Lamb波

2．4损伤定位及成像技术

2．4．1椭圆定位技术

2．4．2损伤成像技术

2．5本章小结

第3章S0模态Lamb波损伤识别的数值模拟

3．1引言

3．2有限元方法计算原理

3．3数值模拟的基本元素

3．3．1结构几何模型

3．3．2激励信号

3．3．3网格尺寸的确定

3．4基于S0模态Lamb波的钢板点损伤识别

3．4．1模型与结果分析

3．4．2椭圆定位技术

3．5模拟S0模态Lamb波在多损伤钢板中的传播

3．5．1结构几何模型

3．5．2模拟结果

3．5．3希尔伯特变换

3．5．4费马原理

3．5．5结果讨论与分析

3．6模拟S0模态Lamb波在焊接钢板中的传播

3．6．1结构几何模型

3．6．2完整钢板模拟结果

3．6．3焊接钢板裂纹模拟结果

3．6．4信号的能量

3．7本章小结

4．1引言

4．2实验仪器、材料及方案

4．2．1实验仪器

4．2．2实验材料

4．2．3实验方案

4．3激励信号

4．3．1激发频率

4．3．2激发振幅

4．3．3运行模式

4．3．4触发间隔

4．4模态的选取和确定

4．4．1对称激励S0模态Lamb波

4．4．2群速度

4．5．1基于S0模态钢板双裂纹实验过程

4．5．2基于S0模态焊接钢板的损伤识别

4．5．3焊接钢板中Lamb波的能量衰减

4．6本章小结

第5章传感器的优化布置

5．1引言

5．2传感器间距离优化

5．2．1单侧激励

5．2．2距离优化

5．3边界距离优化

5．3．1理论分析

5．3．2数值模拟

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢