基于对称激励Lamb波的钢板损伤识别方法

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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 基于声发射的结构健康监测的研究

1．3 国内外研究现状

1．3．1 Lamb波监测国外现状

1．3．2 Lamb波监测国内现状

1．3．3 箱梁疲劳裂纹的研究

1．4 本文研究内容

第2章 Lamb波理论

2．1 引言

2．2 弹性波

2．2．1 Lamb波建模

2．2．2 群速度和相速度

2．2．3 频散曲线的绘制

2．3 单模态Lamb波

2．4 椭圆定位

2．5 损伤成像

2．6 传感器布置

2．6．1 压电片之间的距离的优化

2．6．2 针对边界反射的优化

2．7 本章小结

第3章 基于单模态Lamb波的损伤监测数值模拟

3．1 引言

3．2 动力学显式有限元方法计算原理

3．3 基于单模态的Lamb波钢板损伤识别

3．3．1 结构几何模型

3．3．2 激励信号

3．3．3 划分网格

3．3．4 计算时间步

3．3．5 模型结果与分析

3．3．6 损伤模拟与分析

3．4 基于单模态的Lamb波钢板裂纹损伤识别

3．4．1 结构几何模型

3．4．2 模拟结果与损伤成像

3．4．3 结果讨论与分析

3．5 基于单模态的Lamb波焊接钢板裂纹损伤识别

3．5．1 结构几何模型

3．5．2 模拟结果

3．5．3 损伤成像

3．5．4 能量变化

3．6 本章小结

第4章 基于对称激励Lamb波的损伤监测实验研究

4．1 引言

4．2 实验装置及方案

4．3 激励信号

4．3．1 激励电压

4．3．2 激发频率

4．4 模态的选取和确定

4．4．1 单模态Lamb波的群速度

4．4．2 单模态Lamb波

4．5 基于对称激励Lamb波的损伤识别

4．5．1 钢板点状损伤识别

4．5．2 Lamb波传播过程中的能量衰减与损失率

4．5．3 钢板裂纹损伤识别

4．6 基于对称激励Lamb波的焊接钢板裂纹损伤识别

4．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢