基于导波的一维结构无损检测研究

摘要

导波无损检测是利用沿结构延展方向长距离传播的导波作为检测声波的新型无损检测技术。导波在结构中传播距离远、衰减小、对裂缝敏感，适合钢轨、油气管道等长距离结构的无损检测。现有导波无损检测方法主要基于脉冲回波原理，该原理要求检测导波必须具有低频散特性，从而限制了长距离、对裂缝敏感导波的使用，降低了裂缝定位的有效距离和精度;另一方面，现有研究工作缺乏既包含超长结构的导波特性又包含裂缝特征的仿真计算平台，以及缺乏有效的裂缝辨识方法，难以判断裂缝的类型和程度。这些因素制约了导波法长距离检测的应用研究进程。
　　为了拓展长距离导波检测方法的能力，有效使用传播距离长、对裂缝敏感的导波，首先建立传播路径是有限元、边界是阻抗解析关系的一维结构导波分析平台。通过边界的解析描述和计算网格优化，大大减少有限元的计算量，使得该模型能有效模拟导波在数十米复杂截面的一维结构中传播、以及与裂缝作用的全时域过程。在该模型中，不同截面一维结构导波的波数、群速度和衰减系数等波动特性均可通过虚拟实验获得。
　　利用导波分析平台研究一维结构不连续检测的长距离、高精度、自适应的时频定位方法，提出三种长距离裂缝定位方法:(1)通过除噪、滤波、时频变换等信号处理过程改进脉冲回波法，开发能自动化地寻找和定位结构中的所有不连续的算法。(2)利用群速度、波数等测量结果来替换理论计算值，改进了频域反射系数法，使其能适用于复杂截面、非均匀结构的裂缝定位。(3)针对上述两种方法存在需要激励特定的波形、对噪声敏感、检测硬件成本过高的缺陷，进一步提出了基于单频连续信号的时频综合定位法，利用能量集中的正弦信号作为检测媒介，进行实时波幅分解分析导波的反射机理，并在导波分析有限元平台中获得了与脉冲回波法同样的定位精度。
　　通过研究导波与不连续作用关系，提出裂缝的动力学特征辨识方法。首先分析一维结构导波在阻抗不连续处的反射、透射关系，建立反射系数与阻抗的动力学参数的解析表达式，并在不连续为单一质量时提出了通过反射系数识别质量大小的解析方法。由于该解析识别方法在实际工程检测中容易受到导波波形失真、噪声干扰等因素的影响，导致辨识精度不高、计算结果不收敛，因此进一步提出抗干扰能力强的能量反射系数法，即利用导波在阻抗不连续处的能量反射系数的相位来区分质量不连续和裂缝，并通过反射和透射的能量比例来辨识裂缝的深度尺寸。导波的裂缝敏感性分析结果表明，对深度方向为主的横向裂缝，弯曲波比纵波具有更高的检测敏感性。
　　为了验证导波有限元分析平台以及裂缝定位和辨识方法的有效性，实验室条件下测量了长梁结构的波数，并分别基于改进的脉冲回波法和频域反射系数法进行裂缝定位实验，两种方法均以小于0.1％的误差精确定位了梁上宽1 mm、深度比50％的裂缝。进一步在实际工况钢轨上进行不连续定位实验，利用基于时频分析的改进脉冲回波法对数十米钢轨上的不连续进行定位，误差小于1％，验证了基于时频分析的不连续定位方法对一维结构的普适性。
　　本研究提供了分析长距离一维结构中导波传播特性及与阻抗相互作用过程的导波分析平台，形成了定位、辨识一维结构裂缝的系统方法，验证了基于脉冲回波的导波法对实际工况钢轨不连续检测的适用性。研究工作对长距离工程结构的无损检测具有重大的应用价值，对长距离无损检测理论的发展具有指导意义。

目录

声明

图录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容和创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文创新点

第2章 一维结构的导波特性研究

2．1 一维结构波动特性

2．1．1 一维结构波动分析模型

2．1．2 典型激励

2．2 一维结构波动特性的检测方法

2．3 梁波动特性

2．3．1 梁波动分析模型

2．3．2 梁模态和阻抗特性

2．3．3 梁的频散特性

2．3．4 梁上导波的衰减特性

2．4 本章小结

第3章 梁上不连续定位

3．1 一维结构的脉冲回波法

3．1．1 传统脉冲回波原理

3．1．2 有端部梁的脉冲回波有限元模型

3．1．3 脉冲回波定位的信号处理算法

3．2 基于宽频反射系数的定位方法

3．2．1 梁上宽频导波的反射、透射原理

3．2．2 基于衰减率的保守不连续的定位方法

3．2．3 基于相位的通用不连续定位方法

3．3 基于单频激励的不连续时频综合定位方法

3．4 三种导波定位方法的比较

3．5 本章小结

第4章 基于频域反射系数的梁上裂缝辨识

4．1 阻抗不连续与导波的相互作用

4．2 阻抗不连续的动力学参数辨识

4．3 基于能量反射系数的裂缝和质量不连续辨识

4．3．1 裂缝和质量不连续的类型辨识

4．3．2 不同深度裂缝的辨识

4．4 本章小结

第5章 导波定位算法在梁上的实验验证

5．1 梁的导波特性测量实验

5．1．1 实验布置

5．1．2 实验结果与分析

5．2 基于脉冲回波的梁上裂缝定位实验

5．2．1 实验布置

5．2．2 实验结果与分析

5．3 基于反射系数的梁上裂缝定位实验

5．4 本章小结

第6章 钢轨裂缝检测应用

6．1 钢轨导波的有限元计算

6．1．1 钢轨导波特性

6．2 钢轨导波法检测实验

6．2．1 导波法验证实验布置

6．2．2 钢轨的导波法检测实验验证

6．3 本章小结

第7章 总结和展望

7．1 研究总结

7．2 问题与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间已发表或录用的论文