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《哈尔滨工程大学》 2019年
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基于S0模态Lamb波的钢结构裂纹损伤识别研究

张伟晔  
【摘要】:钢结构作为实际工程中不可代替的重要结构构件,它的损伤会给工程带来重大的安全隐患及经济损失,因此对钢结构进行损伤识别及研究具有重大意义。在结构健康监测领域内,无损检测中的声发射技术具有定位损伤的能力,本文采用导波中的Lamb波作为声发射信号,对钢结构进行监测及损伤识别。首先,利用弹性动力理论对波动方程进行了推导,建立了Lamb波的频散方程。利用MATLAB软件对频散方程进行求解,并根据求解结果绘制出了4mm厚钢板的群速度与相速度的频散曲线,确定截止频率,为模拟和实验奠定了基础。其次,利用有限元软件ABAQUS对钢板进行仿真分析。确定激励信号的窗函数、中心频率及周期等参数;通过对比不同网格尺寸下的模拟结果,选取最适宜的网格尺寸;模拟S0模态Lamb波在完整钢板与点损伤钢板中的传播过程,定位损伤,验证了椭圆定位法的准确性;对比频散曲线的群速度,验证了S0模态群速度在模拟中的正确性。通过Lamb波的传播特点,对钢板双裂纹损伤进行模拟,根据费马原理及Hilbert变换,对双损伤进行损伤识别及成像模拟,得到了与实际较为吻合的成像结果;将钢板引申为焊接钢板,虽然Lamb波在焊缝处会发生反射和透射现象,使得对损伤的定位较为困难,但采用差信号的方式对信号进行处理,仍然可以得到吻合较好的成像结果,并通过对比传播过程中信号的振幅,得出在焊缝处发生透射的信号能量减小的结论。确定了Lamb波的监测实验方案。对实验过程中激励信号的频率、振幅、运行模式、触发间隔等参数进行确定。根据理论分析,在实验中采用对称激励,并将计算出的S0模态的群速度,与理论结果、模拟结果进行比较,吻合状况较好。采用对称激励Lamb波的损伤检测方法,根据Hilbert信号变换法,差信号法,及椭圆定位法,对双裂纹钢板损伤及焊接钢板裂纹损伤进行损伤定位及损伤成像,均得到与实际吻合较好的成像结果。最后,对传感器的布置进行研究。通过理论分析对传感器间距离进行优化,同时也对传感器或裂纹与边界之间的距离进行分析优化。并将优化结果应用到数值模拟中,根据模拟结果验证了优化的准确性。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TU391;TU317

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