超声导波在钢绞线中传播特性分析与应用

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要钢绞线是由一根直钢丝和外围多根螺旋钢丝绞合而成，由于其良好的力学性能而被广泛用于工程结构中。这些结构常年处于恶劣的自然和工作环境中（例如：酸雨，风载，空气腐蚀，振动，疲劳等等），他们的健康状况直接关系到整个系统的运行和使用者的生命安全，所以，确保他们的稳定可靠十分重要。超声导波检测方法因其检测全面，探测距离远和效率高等优点，在无损检测中受到了广泛关注。本文通过仿真和实验两种方法，对钢绞线中超声波的传播特性进行了研究，并将其用于钢绞线的损伤识别与检测中。首先从单根钢丝的角度出发，研究了预紧力对钢绞线中超声波耦合传递率和衰减规律的影响。结果表明，若只对

2、外围单根钢丝线施加激励，随着预紧力的增大，各钢丝线中响应趋于一致，当预紧力足够大时，各钢丝线中响应几乎相同，即超声波从激励钢丝线到其余钢丝线的传递率相同，与几何位置无关。此时，各钢丝线中的超声波呈指数规律衰减，并且拥有相同的衰减率。其次，钢绞线表面复杂，传统的换能器无法直接用于钢绞线中超声波信号的激励与接收。本文设计了一种适合于钢绞线结构的特殊压电换能器。选择了合适的激励频率并优化了换能器长度，使其能够激励单一模态的超声波。最后，结合超声导波在钢绞线中的传播特性，通过标准差估计的信号处理方法以及希尔伯特变换提取信号峰值到达时间的方法，对钢绞线中的损伤进行了识别与定位研究，验证了利

3、用超声导波对钢绞线结构中损伤进行识别与定位的可行性。关键词：钢绞线，压电陶瓷，超声波，耦合传递率，衰减，损伤识别与定位基金资助：江苏高校优势学科建设工程资助项目2011年度高等学校博士学科点专项科研基金资助（No.20113218110026）国家863计划（2013AA041105）本文研究工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。I万方数据超声导波在钢绞线中传播特性研究及应用ABSTRACTMulti-wirestrands,whosebasicelementsareusuallyastraightcoreandalayerofhelicalwires,arewidelyu

4、sedinengineeringapplications.Asthosestructuresareexposedtoseverenaturalandworkingconditions(acidrain,winddrag,atmosphericcorrosion,vibration,fatigue,etc.),itisessentialtostudytheirreliabilitythatconcernthesecurityofusersandenvironmentclosely.Methodsbasedonultrasonicwavesaregainingincreasingat

5、tentioninNon-destructivetestingduetotheirabilitytoexaminetheentirestructurefarandefficiently.Inthispaper,thepropagationcharacteristicsofultrasonicwavesinmulti-wirestrandsareinvestigatedviasimulationandexperiment,andthentheyareusedtodetectandlocatethedamages.Firstly,theinfluenceofpreloadonthec

6、ouplingtransmissibilityandattenuationofultrasonicwavesisstudiedatthelevelofindividualwire.Itisfoundthatwhenoneofthehelicalwiresisexcited,theresponseofeachwiretendstobeidenticalasthepreloadincreases,indicatingthatthetransmissibilitybetweenindividualwiresisindependentonthegeometricpositionwhent

7、hepreloadislargeenough.Inthiscase,theultrasonicwavesineachwireattenuateexponentially,sharingasameattenuationrate.Secondly,asthesurfaceofthemulti-wirestrandisrathercomplicated,conventionaltransducerscannotbedirectlyusedtoexciteandreceiveultras