基于细观混凝土模型的时间逆转损伤成像方法研究

摘要

本文提出了一种针对混凝土结构损伤检测的时间逆转损伤成像方法。本文以检测混凝土结构中与骨料尺寸相近的微小损伤为目的，为了改进先前研究中将混凝土结构视为均质材料而造成的研究实用性不足的缺点，引入细观混凝土随机骨料模型。该模型将混凝土结构视为由水泥浆基底、骨料及黏粘层组成的三相复合材料，基于Monte Carlo随机样本原理并结合Matlab软件建立。在数值模拟分析中，将建立的细观模型导入有限元分析软件进行超声波场模拟。采用自适应性强的时间逆转模型(Time Reversed Model-TRM)进行损伤定位，并提出了一种基于小波变换的峰值时刻波场成像方法。最终搭建实验平台并浇筑真实混凝土试件进行验证。实验结果表明时间逆转模型对于复杂混凝土结构的损伤定位具有强的适用性，基于小波变换的峰值时刻成像法能够消除噪声干扰提高成像精度。本文提出的基于细观混凝土模型的时间逆转损伤成像方法的主要研究内容有：
　　1）依据真实混凝土试件的骨料级配曲线并结合骨料投放理论生成混凝土细观几何模型，基于Comsol with Matlab软件的交互性，将建立的二维模型导入Comsol Multiphysics软件进行损伤及传感器的设置和网格划分以完善仿真模型。
　　2）修正时间逆转损伤成像模型(TRM)，以用于混凝土结构主动损伤检测研究。TRM分为正向检测和逆时成像两个部分：正向检测过程通过单点激励多点接收模式得到包含损伤散射回波信号的一系列结构响应信号，从数值角度进行时间反演并作为逆时过程的输入信号；逆时成像过程选用等效弹性参数模型，几何尺寸与随机骨料模型相同，时反信号在相应几何位置同时加载形成时反波场，时反波场在损伤位置会发生干涉叠加从而导致能量峰值的出现，通过确定干涉峰值时刻，并获取该时刻对应原始波场以及小波变换能量场完成成像。与原始数据波场图相比，小波变换处理成像结果消除了杂波干扰，成像结果更加清晰。
　　进一步对等效弹性参数模型中等效弹性参数的取值进行讨论，并且在骨料尺寸范围内调整损伤大小以验证成像精度，结果显示成像结果匹配度高，对于非均质混凝土结构的损伤检测已很好满足工程实际需求。
　　3）搭建实验平台，浇筑混凝土试块并预设通孔损伤，通过激励超声信号并接收结构响应信号获取损伤散射回波，将损伤信号时反处理并在等效弹性参数模型中加载获取时反波场数据并进行小波变换处理，基于小波变换数据进行峰值时刻波场成像，完成实验验证。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 研究背景及意义

1.2 混凝土的超声检测

1.3 时间逆转技术的发展

1.4 研究中存在的主要问题

1.5 本文的研究目的及内容

第二章 细观模型的建立及时间逆转成像理论

2.1 二维随机骨料模型的生成

2.2 混凝土结构缺陷类型分析

2.3 混凝土超声检测原理

2.4 时间逆转成像理论

2.5信号处理方法

2.6本章小结

第三章 数值仿真及损伤成像

3.1 正向检测

3.2 逆时加载

3.3损伤成像方法研究

3.4关于等效参数取值及成像精度的讨论

3.5本章小结

第四章 时间逆转损伤成像法实验研究

4.1 实验平台的搭建

4.2 实验数据逆时加载

4.3损伤成像

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1 文章总结

5.2 展望

参考文献

课题来源

致谢

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