鋼絞線缺陷超聲導(dǎo)波檢測信號特性實驗分析

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1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論1.1課題概述1.1.1課題來源本課題主要來源于：(1)國家863計劃項目（2006AA04Z435）：《斜拉索錨固區(qū)磁致伸縮導(dǎo)波檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究》(2)“十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAK06B05）：《摩天輪纜索檢測關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)備研制》。1.1.2課題的提出、目的和意義預(yù)應(yīng)力鋼絞線由六根彎曲鋼絲以固定的螺距圍繞一根中心鋼絲捻制而成，其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。由于具有高效、經(jīng)濟、強度高、松弛性能好等特點，鋼絞線已被廣泛應(yīng)用于高層建筑、斜拉索橋和預(yù)應(yīng)力工程中。受長

2、期工作環(huán)境和承載力變化的影響，鋼絞線容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、壓痕、突發(fā)性斷裂等缺陷。作為主要受力構(gòu)件之一，鋼絞線的這些缺陷將直接危害到結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。據(jù)調(diào)查世界范圍內(nèi)的斜拉索橋發(fā)生事故時，絕大部分是由鋼絞線的失效引起的。因此，在生產(chǎn)和使用過程中，對鋼絞線進行無損檢測具有非常重要的意義。圖1.1鋼絞線的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的檢測方法，如超聲法、漏磁法，用于鋼絞線檢測時必須貼近鋼絞線表面并沿其長度方向逐點掃描，產(chǎn)生了檢測效率低、成本高、勞動強度大等問題。此外，針對復(fù)雜區(qū)域中的構(gòu)件，如位于斜拉索錨固區(qū)中的鋼絲和巖土中的錨

3、桿，傳統(tǒng)方法難以實施有效檢測。近年來，超聲導(dǎo)波技術(shù)在無損檢測領(lǐng)域備受關(guān)注，特別是在石化、電力等工業(yè)部門中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。超聲導(dǎo)波是一種彈性應(yīng)力波，當其在桿、管等構(gòu)件中傳播時會在界面間不斷來回反射，若遇到介質(zhì)的變化會產(chǎn)生反射和透射，通過對反射波1華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文和透射波的檢測即可獲得構(gòu)件的缺陷信息。導(dǎo)波技術(shù)在單點激勵就可以實現(xiàn)長距離檢測，并且導(dǎo)波在波導(dǎo)中傳播時需要對象橫截面全部質(zhì)點的參與，因而可以檢測出構(gòu)件的內(nèi)外部缺陷。這兩個突出的優(yōu)點使得導(dǎo)波檢測技術(shù)不僅簡單快速，而且還適用于帶包覆層或復(fù)雜

4、區(qū)域中構(gòu)件的檢測。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)成功將導(dǎo)波技術(shù)用于鋼絞線的缺陷檢測。然而，導(dǎo)波檢測又具有一定的復(fù)雜性。導(dǎo)波傳播過程中伴隨的衰減、頻散、多模態(tài)等現(xiàn)象，降低了檢測系統(tǒng)的靈敏度，致使缺陷信號常常淹沒在背景噪聲中。另一方面，由于鋼絞線結(jié)構(gòu)特殊，使得導(dǎo)波在其中的傳播更加復(fù)雜，這對缺陷檢測結(jié)果會造成一定的干擾，增加缺陷信號識別的難度。因此，研究鋼絞線中導(dǎo)波的傳播特性、缺陷反射波與缺陷尺寸的相互關(guān)系，不僅有助于更好的運用導(dǎo)波技術(shù)，還為研究鋼絞線缺陷定量檢測提供基礎(chǔ)。進一步尋找合適的導(dǎo)波信號處理方法，可以幫助提高檢

5、測信號的信噪比，也直接關(guān)系到鋼絞線小缺陷檢測的可靠性和準確性。導(dǎo)波檢測鋼絞線及其組成構(gòu)件的巨大優(yōu)勢和應(yīng)用前景，吸引許多學(xué)者對上述問題進行了不同程度的研究。最初由于導(dǎo)波檢測機理的復(fù)雜性，多數(shù)研究集中在鋼絞線單處缺陷檢測的可行性分析上。隨著研究的深入，又因為鋼絞線由多根鋼絲捻制而成，部分學(xué)者采用分解鋼絲的破壞性手法來研究鋼絞線中導(dǎo)波的傳播特性。這些研究尚未涉及鋼絲中導(dǎo)波遇到缺陷時的反射特性分析，也未涉及鋼絞線多處缺陷的檢測。而實際應(yīng)用中，長距離的在役鋼絞線易發(fā)生腐蝕、多處斷絲等缺陷。從導(dǎo)波檢測原理可知，導(dǎo)波在

6、鋼絞線中遇到一處缺陷時會發(fā)生反射，這會降低導(dǎo)波向前傳播的能量，從而影響下一處缺陷的檢測。因此導(dǎo)波技術(shù)用于鋼絞線多處缺陷的檢測值得進一步深入研究，這也對理解鋼絞線中導(dǎo)波的傳播特性有所幫助。另一方面，由于導(dǎo)波信號是一種典型的非平穩(wěn)信號，傳統(tǒng)的信號處理方法如短時傅里葉變換，小波變換和Wigner-Ville變換對其進行處理時，雖能提高原始檢測信號的信噪比，但是具有一定的局限性。所以導(dǎo)波信號處理方法也需要繼續(xù)研究。近年來，一種新方法－希爾波特黃變換在處理非線性、非平穩(wěn)數(shù)據(jù)方面突出了優(yōu)勢。其在重力波、故障診斷、生物

7、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而在無損檢測領(lǐng)域應(yīng)用較少。該方法的優(yōu)越性和可行性已被部分學(xué)者驗證，其在導(dǎo)波信號處理方面的潛力值得進一步開發(fā)。2華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2國內(nèi)外研究概況1.2.1鋼絞線導(dǎo)波檢測研究概況[1]早在19世紀80年代，L.Rayleigh就從理論上開始研究聲波在彈性固體中的傳播問[2][3]題，得出固體表面波波速與頻率相關(guān)的結(jié)論。20世紀初，Love、H.Lamb等利用數(shù)學(xué)分析方法研究了介質(zhì)中波導(dǎo)方程的推導(dǎo)，為后續(xù)學(xué)者研究頻散曲線的計算做出了突出貢[4]獻。導(dǎo)波實驗方面的研究起始于196

8、3年，A.H.Fitch通過施加脈沖信號在空心圓柱中激[5]勵出縱向軸對稱和非軸對稱導(dǎo)波。M.G.Silk和K.F.Baiton利用壓電探頭在金屬薄壁管中激發(fā)出L(0,1)模態(tài)導(dǎo)波，并使用此模態(tài)對U型管進行了實驗研究。上世紀90年代，導(dǎo)波技術(shù)作為一種新方法，被逐漸探索并應(yīng)用到無損檢測領(lǐng)域。[6-8]英國帝國理工大學(xué)力學(xué)工程系的D.N.Alleyne、P.Cawley等采用有限元仿真和實驗相結(jié)合的方法對導(dǎo)波檢測技術(shù)進行了廣泛研究