基于导波的方管结构健康监测技术及系统开发

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1、上海交通大学硕士学位论文上海交通大学硕士学位论文基于导波的方管结构健康监测技术及系统开发硕士研究生：孔铭学号：1110209280导师：李富才副教授申请学位：专业硕士学科：机械工程所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2014年5月授予学位单位：上海交通大学1万方数据上海交通大学硕士学位论文DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterStructuralHealthMonitoringofSquareTubeBasedonLambWaveCandidate：KongMingStudent

2、ID:1110209280Supervisor：AssociateProf.FucaiLiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：May,2014Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity2万方数据上海交通大学硕士学位论文上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文《基于导波的

3、方管结构健康监测技术及系统开发》，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日3万方数据上海交通大学硕士学位论文上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检

4、索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日4万方数据上海交通大学硕士学位论文基于导波的方管结构健康监测技术及系统开发摘要土木建筑、大型机械设备、特种化工等领域的工程设备结构服役期长，价值高，在国民经济生产和人民生活中作用巨大。因此，这些工程结构健康与否具有很重要的现实意义，其对结构健康监测需求也是最为迫切。结构健康监测技术因实时、在线、大范围检测的优点，从诞生以来年一直备受工程界和学术界的关注。而基于超声导波的检测方法是目前健

5、康监测技术主要的实现手段，相关的研究成果也很丰富。但是由于超声导波在传播过程中受边界的影响很大，导致目前导波技术研究和应用的对象主要局限在大平板和圆管等边界条件简单的结构。这一现状限制了健康监测技术在实际工程结构中推广，因此进一步研究导波在复杂结构，例如压力容器、桁架、方管等中的监测手段是进一步扩大结构健康技术应用的必由之路。方管结构作为一种重要的工程结构形式，在船舰、车辆、航天器材等领域应用广泛，其既有平板结构特征又有自身特殊性，研究导波健康监测技术在方管领域的应用不但可以保障设备健康，还具有显著的可行性。本文按照导波检测的工作步骤进行工作阐述。首先对导波的物理方程入手，推导导

6、波在不同边界下的形态，并比对方管结构，提出导波在方管结构中的形态。其次，根据导波的频散特征方程，求解导波各模态的频散曲线，对照曲线选择检测需要的激励中心频率和导波模态。在导波频散特性求解过程中，重点分析准确的材料弹性常数对检1万方数据上海交通大学硕士学位论文测准确性、可靠性的意义。随后从频散特征方程出发，提出了基于导波测试信号的材料弹性常数反演方法，并成功地在铝板、线棒绝缘层和转向架结构中得到了验证。再次，本文完成了方管结构的有限元仿真建模，并详细介绍了仿真工作准备工作的标准流程：待检测结构的建模、驱动器和传感器的建模、网格划分和单元选取、载荷设置、求解器和步长的选择。在此基础上

7、，进行导波在方管结构传播的仿真及分析。与平板和梁结构不同，导波在方管中因多边界的存在出现严重的波包重叠，外加导波在边界及损伤处出现的模式转换现象，导致检测信号成分复杂、研判难度大。本文从单一压电晶片激励的角度出发，得到不同频率下不同导波模态的能量变化情况，提出通过控制模态能量幅值从而实现信号成分简化的方法；随后从波包的理论群速度和实验群速度入手，对响应波的成分进行分析，研究Lamb波在方管结构中传播时的模式转换现象，以及Lamb波与不同位置损伤的作用情况。研究发现，边界发射产生的