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基于超声导波的管道结构损伤识别技术研究
| 论文题名： | 基于超声导波的管道结构损伤识别技术研究 |
| 关键词： | 管道结构;损伤识别;超声导波;频散方程;激励频率;透射系数 |
| 摘要： | 随着国家经济的高速发展，工程项目也愈加庞大与复杂，如果其中出现细微损伤，可能导致重大工程事故的发生，对个人乃至社会造成严重影响。因此，对工程结构进行结构健康监测势在必行。传统无损检测方法一般应用于少量器件或者特定结构，但在大型结构以及复杂器件布置情况下表现不理想。针对上述问题，本文采取基于超声导波的无损检测技术应用于结构健康监测。实际的工程应用中，管道结构广泛地应用于石油、天然气等运输领域，因此，本文以工程管道结构为研究对象展开研究。 论文针对超声导波的传播特性以及空心圆柱的特性进行了分析，推导出空心圆柱的频散方程。引入了有限元建模的方法，并对工程步骤进行说明，包括分析步、网格大小、压电模拟以及损伤建模。后续继续研究了信号的处理以及损伤定位的方法。 针对典型的直管结构的频散方程进行研究，考虑径向以及轴向位移的影响，提出利用L(0,2)模式对损伤进行监测。通过对管结构单损伤的研究发现，损伤的反射系数随着周向损伤尺寸以及损伤深度的增大而线性增大，深度较小损伤不易识别；轴向损伤轻微改变对反射系数影响较小。对双损伤管道研究表明两损伤距离较近时，损伤信号会出现信号重叠，损伤会变得不易识别；近损伤尺寸变大，反射系数会随之增大，远损伤会受到近损伤尺寸的影响而幅值减小。 针对弯管进行研究，分析了弯管的弯曲半径以及激励频率对透射系数的影响、激励周期对信号幅值的影响、弯曲半径相同时弯曲角度对弯管特性的影响、90°典型弯管模态转换特性的规律。结果表明信号的中心频率与周期以及弯管的弯曲半径会对透射系数产生影响。在90°典型弯管情况下，L(0,2)模态导波经过弯头会发生模态转换。弯管的透射系数与模态转换会受到弯曲角度的影响。导波经过弯管外侧时会发生能量聚集，损伤更易检测，而内侧发生信号衰弱，微小损伤容易发生漏检。 针对实验系统便携以及智能的需求，对系统的软硬件进行了选择、设计与集成。实验系统的硬件部分分为损伤实时监测与成像、主动激励、信号采集以及散热供电四大模块。软件部分针对硬件模块进行设计，实现上位机显示以及信号处理与损伤成像工作。提出了基于区域激励的损伤成像方法用于管结构损伤监测，通过实验验证了系统功能有效性。 |
| 作者： | 陈灵 |
| 专业： | 机械设计及理论 |
| 导师： | 徐建成;吴键 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南京理工大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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