基于超聲導(dǎo)波的無縫線路鋼軌應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、我國高速鐵路及主要干線均大量采用全區(qū)間、跨區(qū)間超長無縫線路這種新型軌道結(jié)構(gòu)，當(dāng)鋼軌溫度變化幅度較大時(shí)，無縫線路長鋼軌內(nèi)部承受著巨大的溫度應(yīng)力，直接影響軌道交通的運(yùn)行安全。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)高速鐵路無縫線路的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，在應(yīng)力超限時(shí)及時(shí)預(yù)警，對(duì)于保障高速鐵路安全運(yùn)營和提高我國無縫線路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)水平具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　無縫線路內(nèi)部溫度應(yīng)力檢測(cè)是一項(xiàng)世界性難題，針對(duì)現(xiàn)有不同檢測(cè)方法的各種問題，本文提出了基于超聲導(dǎo)波的無縫線路溫

2、度應(yīng)力的檢測(cè)方法。超聲導(dǎo)波可以在波導(dǎo)介質(zhì)中傳播很長的距離，并能夠覆蓋整個(gè)被檢測(cè)物體的橫截面，檢測(cè)效率更高。超聲導(dǎo)波檢測(cè)無縫線路鋼軌內(nèi)部溫度應(yīng)力是基于聲彈性原理，原理簡單，但由于超聲導(dǎo)波的傳播特性很復(fù)雜，如頻散特性、多模態(tài)等，這種方法應(yīng)用于無縫線路應(yīng)力檢測(cè)，仍有許多問題需要深入研究。首先要求解得到我國無縫線路鋼軌內(nèi)部超聲導(dǎo)波的頻散曲線，這是深入研究各模態(tài)振動(dòng)規(guī)律的前提;其次，要在眾多的導(dǎo)波模態(tài)中選取適于應(yīng)力檢測(cè)的導(dǎo)波模態(tài);最后，要研究導(dǎo)波

3、模態(tài)的激勵(lì)方法，激勵(lì)出選取的導(dǎo)波模態(tài)。
　　針對(duì)以上問題，論文以我國無縫線路中的CHN60鋼軌為研究對(duì)象，對(duì)鋼軌內(nèi)不同模態(tài)的超聲導(dǎo)波進(jìn)行了深入的理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)研究，主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括:
　　1.自主開發(fā)實(shí)現(xiàn)了半解析有限元算法，求解得到了CHN60鋼軌中超聲導(dǎo)波的頻散曲線通過傳統(tǒng)的有限元模態(tài)分析方法，無法求解得到鋼軌中超聲導(dǎo)波完整的頻散曲線。半解析有限元方法是國際上普遍采用的求解任意橫截面波導(dǎo)介質(zhì)中超聲導(dǎo)波頻散曲線的一種有效

4、方法，國內(nèi)還只能通過購買國外的半解析有限元軟件來進(jìn)行相關(guān)的科研工作。通過查閱大量國際文獻(xiàn)，運(yùn)用Matlab軟件工具，論文自主開發(fā)實(shí)現(xiàn)了半解析有限元算法。
　　通過半解析有限元方法，論文求解得到了我國CHN60鋼軌中超聲導(dǎo)波的頻散曲線，結(jié)合振型分析、激勵(lì)響應(yīng)分析和應(yīng)力敏感度分析等多種方法，對(duì)超聲導(dǎo)波的各個(gè)模態(tài)進(jìn)行了特性分析，掌握了我國無縫線路中超聲導(dǎo)波各模態(tài)的振動(dòng)特性和傳播規(guī)律，為運(yùn)用超聲導(dǎo)波技術(shù)實(shí)現(xiàn)我國無縫線路斷軌和應(yīng)力的相關(guān)基礎(chǔ)

5、設(shè)施服役狀態(tài)檢測(cè)提供了理論參考依據(jù)。
　　2.提出了選取最優(yōu)導(dǎo)波模態(tài)的指標(biāo)模型基于頻率、應(yīng)力敏感度、振型、激勵(lì)位置偏離度和模態(tài)辨識(shí)度這五個(gè)因子，論文首次提出了選取最優(yōu)導(dǎo)波模態(tài)的指標(biāo)模型。通過該模型，可快速選取最適于我國高速鐵路無縫線路應(yīng)力檢測(cè)的超聲導(dǎo)波模態(tài)，實(shí)現(xiàn)了理論分析到工程應(yīng)用的技術(shù)轉(zhuǎn)化。
　　3.設(shè)計(jì)了最優(yōu)激勵(lì)位置定位算法根據(jù)各個(gè)超聲導(dǎo)波模態(tài)的振型特點(diǎn)，結(jié)合激勵(lì)響應(yīng)分析結(jié)果，論文設(shè)計(jì)了最優(yōu)激勵(lì)位置定位算法。通過繪制導(dǎo)波

6、模態(tài)的三自由度位移變化曲線，基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律濾除了較小的極值點(diǎn)，得到了各個(gè)導(dǎo)波模態(tài)的激勵(lì)位置特征點(diǎn)。通過該算法可快速定位特定導(dǎo)波模態(tài)的激勵(lì)點(diǎn)和激勵(lì)方向，大大節(jié)省了反復(fù)試驗(yàn)的環(huán)節(jié)，提高了工程化應(yīng)用的效率。
　　針對(duì)論文最終選取的超聲導(dǎo)波模態(tài)和確定的激勵(lì)位置，在西寶鐵路客運(yùn)專線進(jìn)行了實(shí)際線路測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，任意導(dǎo)波模態(tài)激勵(lì)位置定位算法，可以快速準(zhǔn)確定位激勵(lì)位置和方向;根據(jù)指標(biāo)模型所選取的模態(tài)，激勵(lì)方式簡單，易于控制，便于現(xiàn)場安裝使用，