若干工程構(gòu)件中的導(dǎo)波傳播特性及損傷檢測研究.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)在日常生活中隨處可見，與之相關(guān)的安全性問題日益凸顯，已經(jīng)引發(fā)了民眾越來越多的關(guān)注。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，SHM)在工程結(jié)構(gòu)的損傷診斷和預(yù)后中扮演了重要的角色。近二十年來，相關(guān)的技術(shù)不斷發(fā)展并逐步應(yīng)用于結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測、異常檢查、損傷檢測和識(shí)別等方面。在多種SHM技術(shù)中，基于導(dǎo)波（Guided Wave，GW）即“由介質(zhì)導(dǎo)向的彈性應(yīng)力波”的方法是公認(rèn)的對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和識(shí)別的有效

2、工具。
　　基于導(dǎo)波的SHM技術(shù)的基本思路，是通過粘貼于結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的作動(dòng)器和傳感器來激發(fā)和接收在結(jié)構(gòu)中傳播的導(dǎo)波，并根據(jù)接收到的導(dǎo)波信號中的某些特征對結(jié)構(gòu)的健康狀況做出判斷。明確導(dǎo)波在目標(biāo)結(jié)構(gòu)中的傳播特性及其與結(jié)構(gòu)中損傷的相互作用規(guī)律是使用這一技術(shù)的前提;而針對具體構(gòu)件給出合適的損傷檢測方法則是這一技術(shù)得到有效應(yīng)用的保障。
　　本文使用理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)分析的方法對多種典型工程構(gòu)件中的導(dǎo)波傳播特性進(jìn)行了研

3、究，建立了有針對性的損傷檢測方法，實(shí)現(xiàn)了多種工程構(gòu)件中不同種類損傷的定量檢測。
　　對基于導(dǎo)波的SHM技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，內(nèi)容涉及導(dǎo)波基本概念和建模方法、導(dǎo)波的激發(fā)和接收過程、導(dǎo)波與結(jié)構(gòu)損傷的相互作用、導(dǎo)波信號處理和特征提取以及結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法等。在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，給出了本文的研究目標(biāo)、內(nèi)容、方法和技術(shù)線路。
　　對導(dǎo)波基本理論、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。列寫了構(gòu)件中導(dǎo)波的控制方程及其解析解

4、，用以從理論上描述構(gòu)件中的導(dǎo)波波場，同時(shí)使用數(shù)值方法求解了導(dǎo)波的頻散曲線，供后續(xù)研究參考比較;詳述了ABAQUS軟件平臺(tái)上導(dǎo)波傳播過程的模擬方法，建立了碟形和磚塊形壓電陶瓷晶片(PZT)的作動(dòng)器和傳感器等效模型，并介紹了結(jié)構(gòu)損傷的模擬方法;對實(shí)驗(yàn)中用到的不同儀器設(shè)備系統(tǒng)、PZT晶片及連接件進(jìn)行了介紹和展示;此外，還對導(dǎo)波信號處理流程進(jìn)行了約定。
　　對槽鋁和工字鋼構(gòu)件中的導(dǎo)波傳播特性和切槽、通孔損傷的檢測問題進(jìn)行了研究。給出了仿真

5、和實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)參數(shù)和計(jì)算參數(shù)的選擇準(zhǔn)則;基于導(dǎo)波信號或信號差中波包飛行時(shí)間(Time of Flight，ToF)特征，對不同位置的損傷進(jìn)行了檢測，檢測能力接近或超出公認(rèn)值，檢測精度始終在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了對應(yīng)的損傷檢測方法的有效性;同時(shí)對損傷多重反射、損傷最小可測尺寸等問題進(jìn)行了討論。
　　使用多個(gè)激勵(lì)頻率下的導(dǎo)波信號構(gòu)建出時(shí)頻域的三維網(wǎng)面圖或二維譜圖，以分析時(shí)頻域圖像的方式來研究焊接熱影響區(qū)對于焊接板中導(dǎo)波傳播特性的影響;同時(shí)

6、對導(dǎo)波時(shí)域信號進(jìn)行了相關(guān)分析，對圖像分析結(jié)論進(jìn)行了補(bǔ)充說明。理論分析表明，頻散曲線對于材料楊氏彈性模量和密度的變化比較敏感;仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在僅考慮焊接帶來的材料參數(shù)變化時(shí)，焊接熱影響區(qū)的存在對焊接板上導(dǎo)波傳播的影響很小，而在考慮焊接帶來的截面尺寸變化時(shí)，可以在高頻段明顯看出焊區(qū)反射波和透射波幅值衰減現(xiàn)象。
　　在焊接方管構(gòu)件上建立了由多個(gè)PZT晶片組成的作動(dòng)器-傳感器網(wǎng)絡(luò)，并使用該網(wǎng)絡(luò)對焊區(qū)損傷進(jìn)行了檢測。借助于作動(dòng)器-傳

7、感器網(wǎng)絡(luò)激發(fā)構(gòu)件中的導(dǎo)波并采集大量導(dǎo)波信號，建立了基于信號時(shí)域特征“最大差別到達(dá)時(shí)間”(Time of maximumdifference，ToMD)和“損傷存在概率”（Damage Presence Probability，DPP）且包含二重圖像融合過程的“基于概率表述的損傷成像法”，并采用這一方法對焊接方管構(gòu)件中焊區(qū)的單、雙損傷進(jìn)行了檢測。雖然損傷位于靠近構(gòu)件物理邊界的焊縫區(qū)域，對其進(jìn)行精確定位難度較大，但仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，使用