基于瑞雷波道面健康监测系统研究

摘要

随着中国现代化进程不断深入，土木工程建设规模越来越大，其结构更加复杂多样，如城市轨道交通设施、高速公路、大跨度桥梁以及高层建筑等。同时由结构损伤引发的安全事故时常发生，土木结构损伤已经成为威胁大型建筑物安全的一个重要因素，因而土木结构损伤检测成为了当今社会一个重要研究课题。本文针对土木结构中道面检测设备和方法实时检测差、费用高、操作难度大等缺点，设计了一个基于瑞雷波道面健康监测系统，为道面无损检测提供了一种新的解决方案。
　　本文首先从瑞雷波的基本概念出发，介绍了瑞雷波的波动方程、形成过程、频散现象以及在野外勘探方法，同时在传统的频率波数变换法上进行改进，来提取瑞雷波频散曲线。通过利用有限差分法对一阶速度-应力弹性波动方程进行数值求解，实现瑞雷波在弹性介质和黏弹性介质的数值模拟，得到瑞雷波波场传播快照图，同时利用Matlab软件编写程序绘制瑞雷波传播剖面图。数值模拟结果表明瞬态瑞雷波可以在水平方向上向外进行传播，但是在垂直方向上却是呈指数形式衰减，为在实际应用中利用瞬态瑞雷波进行道面缺陷的检测提供了理论依据。为了验证有限差分法对数值模拟的正确性，本文利用ANSYS有限元软件中的动力学模块对瞬态瑞雷波在半无限弹性介质中的波场进行了数值模拟的仿真，得到的波场快照图与瑞雷波的传播状态相吻合。最后利用ANSYS有限元软件设计了一个含有地下空洞的有限元模型，通过Matlab软件对道面上节点采集的位移数据进行数据处理与分析，将其转化为可以处理的文件格式，利用改进的频率波数变换法进行数据处理得到可以反映地下介质结构的频散曲线，然后根据该频散曲线可准确判断出地下空洞的位置，从而为检测土木结构中道面的损伤位置提供了理论基础和仿真依据。
　　通过对瞬态瑞雷波数值模拟和有限元仿真分析之后，结合无线传感网络技术设计出一套基于瑞雷波道面健康监测系统。并根据监测对象制定了整个健康监测系统的设计方案，给出了详细的软硬件设计过程。在短距离无线传输方案中，综合比较了几种比较常用的无线通信技术，最后采用ZigBee技术组建无线传感网络，利用传感器节点采集瑞雷波数据并传输到计算机监测系统中进行处理。为了验证该系统的可行性和有效性，设计了一个瞬态瑞雷波对含有缺陷的水泥混凝土构件进行无损检测的实验，并取得了满意的效果。该系统与现有的健康监测系统相比，具有经济实用、操作简单、实时监控等优点，具有重要的社会和经济应用价值。

目录

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缩写词表

注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容与章节安排

第二章 瑞雷波基本理论

2.1瑞雷波概述

2.2瑞雷波波动理论

2.3瑞雷波实际勘探方法

2.4 频散曲线提取方法

2.5 f-k变换法的具体实现

2.6本章小结

第三章 瑞雷波数值仿真

3.1理想弹性介质中的弹性波动方程

3.2瑞雷波数值模拟中PML边界吸收条件

3.3均匀介质中瑞雷波数值模拟

3.4黏弹性介质中瑞雷波数值模拟

3.5地下空洞瑞雷波有限元数值模拟

3.6地下空洞模型数值仿真与频散分析

3.7本章小结

第四章 基于瑞雷波道面健康监测系统设计

4.1无线传感器网络与ZigBee技术

4.2健康监测系统结构

4.3无线传感网络节点软件设计

4.4瑞雷波道面健康监测系统设计

4.5系统测试与实验验证

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1论文工作总结

5.2下一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文