基于导波的轧制结构损伤定位及轧机振动监测系统开发

摘要

轧制结构，性能良好，便于高效生产，广泛应用于机械设备和工程项目中，与此同时它们的健康状况和生产过程中轧机异常振动状况就日渐凸显。基于超声导波结构健康监测技术能实现损伤识别定位，本课题以此对两种轧制工程结构进行研究。轧机振动机理比较复杂，暂时难以彻底解决，本研究中开发一套轧机振动监测系统，减少由轧机异常振动带来带钢质量问题及损坏机器。
　　第一，本文综述导波基本理论，包括无限大板中的Lamb波与SH波，无限长空心圆柱体中的纵向模态、扭转模态、弯曲模态、周向 Lamb波与周向 SH波的传播特点和频散方程；提出数值法获取导波频散曲线的流程，介绍激励信号选择的基本原则；总结导波有限元仿真理论，包括求解器选择，网格与步长参数，损伤与PZT换能器建模。
　　第二，以H型钢为研究对象。参考无限大板中导波，结合导波模式、时域分辨率和波的结构等选择Lamb波对称模式，并确定激励信号频率。对比两点对称激励和整周激励两种不同方式的效果，后者能够抑制边界反射效应、减轻腹板与翼缘导波相互作用的影响。采取整周激励，多点接收，可以确定由各自传感路径确定的损伤轨迹为抛物线。根据距损伤轨迹的距离构造损伤概率密度分布函数，采用几何平均方法和算术平均方法融合多条传感路径实现损伤定位，最后通过仿真验证该方法。
　　第三，以圆管为研究对象。根据无限长空心圆柱体导波理论，综合考虑导波模式、避开截止区域、波的结构、群速度等因素，选择导波模式及激励信号频率。在此基础上，采用单点激励、多点接收的传感网络进行有限元仿真，导波同时绕周向与沿轴向传播，前者传播速度非常接近周向 Lamb波，后者传播速度非常接近纵向模态导波，而且在某一激励频率时二者传播速度、波的结构等特征非常类似。在后续研究中以此频率进行激励，并将群速度取二者的平均值。使用上述传感方式，将圆管展开并延拓，可以得到由各自传感路径确定的损伤轨迹为椭圆。根据距损伤轨迹的相对距离构造损伤概率密度分布函数，采用几何平均方法融合多条传感路径实现损伤定位，最后通过仿真与实验验证该方法。
　　最后，开发带钢轧机振动监测系统。根据轧机工作的基本特征，确定需要采集的信号内容，以此决定硬件设备。在此基础上搭建系统，包括系统方案、数据采集流程、数据采集参数、信号处理方法与报警判断流程。进而确定软件系统功能，包括数据显示、存储、查询与回放。现场4个振动异常的案例验证了此系统的有效性。
　　本文在结构健康监测和轧机振动监测系统两方面的研究方法与结论，在各自同类对象具有一定参考意义。

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主要符号

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究工作

1.4 本文纲要

第二章 导波基本理论

2.1 引言

2.2 弹性应力波基本理论

2.3 板中导波频散方程

2.4 空心圆柱体中导波频散方程

2.5 激励信号的选择

2.6 有限元建模

2.7 本章小结

第三章 H型钢中超声导波传播机理及损伤定位

3.1 引言

3.2 激励频厚积选择

3.3 H型工字钢中导波传播特性

3.4 损伤定位方法与算例

3.5 本章小结

第四章 圆管中超声导波传播机理及损伤定位

4.1 引言

4.2 激励信号频率选择

4.3 单激励导波传播特性

4.4 损伤定位方法与算例

4.5 损伤定位误差分析

4.6 本章小结

第五章 带钢冷轧机组振动监测系统开发

5.1 引言

5.2 信号与硬件

5.3 系统搭建

5.4 数据处理与报警

5.5 数据操作

5.6 现场运行案例

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

附录A 复数域三角函数与双曲函数

附录B 不同坐标系转换

附录C Bessel函数

致谢

攻读硕士学位期间论文及获奖情况