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原文传递基于半解析有限元模型的轨道导波波动特性研究

论文题名：	基于半解析有限元模型的轨道导波波动特性研究
关键词：	半解析有限元法;波动特性;频散曲线;衰减特性;无损探测;导波法;轨道类结构
摘要：	导波法是目前用于轨道类结构无损探测的最佳方法之一。为了实现导波法技术用于长距离损伤检测，所选择的导波应具有波动衰减率低的特点。由于波导结构中一般存在众多类型的导波模态，能够准确预测各类导波模态的频率、波长、群速度、衰减率等模态特性和波动特性是十分重要的。对于结构较为简单的波导结构（如管道、板、梁等），由于存在的导波模态相对较少，其波动特性一般可采用解析法或有限元法来得出。然而，对于截面形状复杂的轨道来说，无法对于其复杂的导波模态建立理论方程，同时，采用有限元法也仅适合于较低频率范围和较短结构，并且难以实现不同模态的导波间的分离。因此，采用传统有限元法和解析方法研究轨道导波波动特性都具有难以克服的应用缺陷。本项研究中，利用“半解析有限元法”(Semi-analytical Finite Element Method，简称SAFEM)，将波动解析理论与有限元数值计算相结合，从而实现了对于复杂截面条件下无限长结构的波动特性的数值计算分析。　　本文首先详细阐述了半解析有限元法的基本理论，以典型的工程结构——梁为例，介绍了半解析有限元法的建模方法，并研究了截面网格划分对计算结果的影响，进而利用欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli Beam)、铁木辛柯梁(Timoshenko Beam)理论公式，以及梁的有限元模型，通过计算梁弯曲模态导波的波数，对于SAFEM模型的准确性进行了数例验证;并通过长度为6.1m的梁的弯曲模态导波波数的实验测试，对于SAFEM分析模型的计算准确性进行了实验验证。　　在此基础上，以我国铁路铺设的UIC60型（即60kg/m型）钢轨和轨下胶垫为研究对象，采用SAFEM法建立轨道的高频数值模型，并利用传统有限元法验证了该轨道高频数值模型的准确性和有效性。以该轨道模型为基础，进而研究了轨下胶垫对轨道导波动特性的影响。然后，利用该轨道高频数值模型，在0～100 kaz的频率范围内对我国常用轨道的导波频散特性、相速度、群速度等波动特性进行了预测分析。然后在实验室条件下，分别测得了长度为1m的钢轨和长度为6m的轨道的等效阻尼损耗因子。最后，结合利用轨道高频数值模型求得的轨道导波的群速度和通过实验测得的轨道阻尼损耗因子计算出了轨道导波在0～100 kHz频率范围内的衰减率，通过衰减曲线发现UIC60轨道中衰减率低、能够有效传播1km以上、适合导波法长距离检测的导波有19种。其中一种对称纵波在44 kHz附近其衰减率为0.045 dB/m，对应最大有效传播距离约为1.3km。　　利用轨道高频数值模型研究轨下胶垫对轨道导波波动特性影响的结果表明:影响主要体现在20 kHz以下的低频区域，并且随着胶垫刚度的增大，轨道同一种模式的导波在同一频率所对应的波数逐渐增大。通过对比实验测得的钢轨和轨道的阻尼损耗因子，亦可发现轨垫对轨道阻尼损耗因子的影响主要体现在较低频段，在较高频段几乎没有影响。实验结果也从侧面反映了轨垫对轨道导波波动特性的影响主要体现在较低频率区域。　　本文运用的半解析有限元法研究轨道波动特性和筛选导波的方法不仅适用于轨道，而且适用于管道、电缆、梁等其他波导结构。由于实验条件的限制，目前无法激励出单一模式的轨道导波，通过实验验证轨道高频数值模型的准确性，因此对轨道导波的激励和接收方式的深入研究是今后需要进一步开展的工作。
作者：	高群
专业：	机械设计及理论
导师：	刘鸣;纪琳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文