超声导波在钢轨中传播特性的仿真方法研究

摘要

为保障行车安全，实时监测钢轨服役状态具有重要的意义。超声导波是指超声波在杆、管、板等结构的波导介质传播时，不断与介质的上下边界发生折射、反射及纵波一横波之间的波形转换作用而产生的波。超声导波具有检测频率相对较低、传播距离远、检测距离长等特点，因此特别适用于长距离检测领域，如管道检测、钢轨检测等。从这个意义上来说，超声导波是最有效的检测钢轨的方法。钢轨材料作为固体声传播弹性介质，具有良好的声导管特性。提取和分析钢轨中的超声导波信息，就可得到钢轨的信息，包括应力和缺陷等。
　　首先在平板中激发出了对称模态和反对称模态的超声导波（兰姆波），绘制了兰姆波频散曲线，结果与解析法求得的频散曲线取得一致，验证了有限元法仿真超声导波传播特性的可行性。在平板的基础上，进而研究超声导波在钢轨中的传播特性。
　　通过特征频率法绘制出了钢轨在0～5kHz的频散曲线。研究了不同频率的超声导波在钢轨中传播可能存在的模态。分析了钢轨扣件对超声导波的影响，分析了钢轨在不同应力状态时的振动响应曲线，得出通过超声导波波速来判断钢轨内部集中温度应力的结论，还分析了钢轨在断轨状态时的振动响应曲线，得出通过缺陷回波信号可判断断轨信息的结论。
　　选择了满足要求的换能器，研究了超声导波换能器与钢轨耦合的压电效应仿真，为所选换能器激发的超声导波在钢轨中的传播特性提供理论依据，并与实验结果进行对比验证。

目录

声明

致谢

摘要

序

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 半解析有限元法研究现状

1．2．2 有限元法研究现状

1．3 研究内容及章节安排

2 超声导波在平板中传播的仿真方法研究

2．1 兰姆波概述

2．2 ANSYS瞬态动力学分析基本步骤及关键问题

2．3 有限元法仿真兰姆波的传播

2．4 有限元结果分析

2．4．1 小波变换分析振动信号

2．4．2 绘制频散曲线

2．5 本章小结

3 钢轨的频散曲线绘制及振型分析

3．1 钢轨的频散曲线及振型概述

3．2 ANSYS模态分析流程及基本步骤

3．3 钢轨的振型分析及频散曲线绘制

3．4 本章小结

4 超声导波在钢轨中传播的仿真方法研究

4．1 钢轨在低频激励下的仿真方法

4．2 钢轨在高频激励下的仿真方法

4．3 钢轨扣件对超声导波传播的影响

4．4 钢轨在拉应力及压应力状态下的导波激励响应分析

4．4．1 拉应力对钢轨中传播的超声导波波速的影响

4．4．2 压应力对钢轨中传播的超声导波波速的影响

4．5 钢轨在断轨状态下的导波激励响应分析

4．6 本章小结

5 超声导波换能器的压电耦合分析

5．1 钢轨对给定振型的响应分析

5．2 压电耦合概述

5．2．1 介电常数

5．2．2 压电矩阵

5．2．3 弹性常数矩阵

5．3 超声导波换能器与钢轨的耦合

5．3．1 超声导波激励频率的选择

5．3．2 超声导波换能器的选型

5．3．3 超声导波换能器与钢轨耦合仿真参数的设定

5．3．4 超声导波换能器与钢轨耦合有限元模型的建立

5．3．5 超声导波换能器与钢轨耦合有限元结果及实验结果分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历

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