基于半解析有限元模型的軌道導(dǎo)波波動(dòng)特性研究.pdf

1、導(dǎo)波法是目前用于軌道類結(jié)構(gòu)無損探測(cè)的最佳方法之一。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波法技術(shù)用于長(zhǎng)距離損傷檢測(cè)，所選擇的導(dǎo)波應(yīng)具有波動(dòng)衰減率低的特點(diǎn)。由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中一般存在眾多類型的導(dǎo)波模態(tài)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各類導(dǎo)波模態(tài)的頻率、波長(zhǎng)、群速度、衰減率等模態(tài)特性和波動(dòng)特性是十分重要的。對(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（如管道、板、梁等），由于存在的導(dǎo)波模態(tài)相對(duì)較少，其波動(dòng)特性一般可采用解析法或有限元法來得出。然而，對(duì)于截面形狀復(fù)雜的軌道來說，無法對(duì)于其復(fù)雜的導(dǎo)波模態(tài)建立理論

2、方程，同時(shí)，采用有限元法也僅適合于較低頻率范圍和較短結(jié)構(gòu)，并且難以實(shí)現(xiàn)不同模態(tài)的導(dǎo)波間的分離。因此，采用傳統(tǒng)有限元法和解析方法研究軌道導(dǎo)波波動(dòng)特性都具有難以克服的應(yīng)用缺陷。本項(xiàng)研究中，利用“半解析有限元法”(Semi-analytical Finite Element Method，簡(jiǎn)稱SAFEM)，將波動(dòng)解析理論與有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于復(fù)雜截面條件下無限長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的波動(dòng)特性的數(shù)值計(jì)算分析。
　　 本文首先詳細(xì)闡述了半

3、解析有限元法的基本理論，以典型的工程結(jié)構(gòu)——梁為例，介紹了半解析有限元法的建模方法，并研究了截面網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)而利用歐拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli Beam)、鐵木辛柯梁(Timoshenko Beam)理論公式，以及梁的有限元模型，通過計(jì)算梁彎曲模態(tài)導(dǎo)波的波數(shù)，對(duì)于SAFEM模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了數(shù)例驗(yàn)證;并通過長(zhǎng)度為6.1m的梁的彎曲模態(tài)導(dǎo)波波數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)于SAFEM分析模型的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4、
　　 在此基礎(chǔ)上，以我國(guó)鐵路鋪設(shè)的UIC60型（即60kg/m型）鋼軌和軌下膠墊為研究對(duì)象，采用SAFEM法建立軌道的高頻數(shù)值模型，并利用傳統(tǒng)有限元法驗(yàn)證了該軌道高頻數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和有效性。以該軌道模型為基礎(chǔ)，進(jìn)而研究了軌下膠墊對(duì)軌道導(dǎo)波動(dòng)特性的影響。然后，利用該軌道高頻數(shù)值模型，在0～100 kaz的頻率范圍內(nèi)對(duì)我國(guó)常用軌道的導(dǎo)波頻散特性、相速度、群速度等波動(dòng)特性進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。然后在實(shí)驗(yàn)室條件下，分別測(cè)得了長(zhǎng)度為1m的鋼

5、軌和長(zhǎng)度為6m的軌道的等效阻尼損耗因子。最后，結(jié)合利用軌道高頻數(shù)值模型求得的軌道導(dǎo)波的群速度和通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的軌道阻尼損耗因子計(jì)算出了軌道導(dǎo)波在0～100 kHz頻率范圍內(nèi)的衰減率，通過衰減曲線發(fā)現(xiàn)UIC60軌道中衰減率低、能夠有效傳播1km以上、適合導(dǎo)波法長(zhǎng)距離檢測(cè)的導(dǎo)波有19種。其中一種對(duì)稱縱波在44 kHz附近其衰減率為0.045 dB/m，對(duì)應(yīng)最大有效傳播距離約為1.3km。
　　 利用軌道高頻數(shù)值模型研究軌下膠墊對(duì)軌道導(dǎo)

6、波波動(dòng)特性影響的結(jié)果表明:影響主要體現(xiàn)在20 kHz以下的低頻區(qū)域，并且隨著膠墊剛度的增大，軌道同一種模式的導(dǎo)波在同一頻率所對(duì)應(yīng)的波數(shù)逐漸增大。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鋼軌和軌道的阻尼損耗因子，亦可發(fā)現(xiàn)軌墊對(duì)軌道阻尼損耗因子的影響主要體現(xiàn)在較低頻段，在較高頻段幾乎沒有影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也從側(cè)面反映了軌墊對(duì)軌道導(dǎo)波波動(dòng)特性的影響主要體現(xiàn)在較低頻率區(qū)域。
　　 本文運(yùn)用的半解析有限元法研究軌道波動(dòng)特性和篩選導(dǎo)波的方法不僅適用于軌道，而且適用于