鋼絞線(xiàn)缺陷超聲導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)特性實(shí)驗(yàn)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(lái)源本課題主要來(lái)源于：(1)國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2006AA04Z435）：《斜拉索錨固區(qū)磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究》(2)“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAK06B05）：《摩天輪纜索檢測(cè)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(xiàn)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(jì)、強(qiáng)度高、松弛性能好等特點(diǎn)，鋼絞線(xiàn)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(zhǎng)

2、期工作環(huán)境和承載力變化的影響，鋼絞線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，絕大部分是由鋼絞線(xiàn)的失效引起的。因此，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，對(duì)鋼絞線(xiàn)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)具有非常重要的意義。圖1.1鋼絞線(xiàn)的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，如超聲法、漏磁法，用于鋼絞線(xiàn)檢測(cè)時(shí)必須貼近鋼絞線(xiàn)表面并沿其長(zhǎng)度方向逐點(diǎn)掃描，產(chǎn)生了檢測(cè)效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。此外，針對(duì)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(shí)施有效檢測(cè)。近年來(lái)，超聲導(dǎo)波技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域備受關(guān)注，特別是在石化、電力等工業(yè)部門(mén)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(dāng)其在桿、管等構(gòu)件中傳播時(shí)會(huì)在界面間不斷來(lái)回反射，若遇到介質(zhì)的變化會(huì)產(chǎn)生反射和透射，通過(guò)對(duì)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(cè)即可獲得構(gòu)件的缺陷信息。導(dǎo)波技術(shù)在單點(diǎn)激勵(lì)就可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離檢測(cè)，并且導(dǎo)波在波導(dǎo)中傳播時(shí)需要對(duì)象橫截面全部質(zhì)點(diǎn)的參與，因而可以檢測(cè)出構(gòu)件的內(nèi)外部缺陷。這兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)使得導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)不僅簡(jiǎn)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(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)成功將導(dǎo)波技術(shù)用于鋼絞線(xiàn)的缺陷檢測(cè)。然而，導(dǎo)波檢測(cè)又具有一定的復(fù)雜性。導(dǎo)波傳播過(guò)程中伴隨的衰減、頻散、多模態(tài)等現(xiàn)象，降低了檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，致使缺陷信號(hào)常常淹沒(méi)在背景噪聲中。另一方面，由于鋼絞線(xiàn)結(jié)構(gòu)特殊，使得導(dǎo)波在其中的傳播更加復(fù)雜，這對(duì)缺陷檢測(cè)結(jié)果會(huì)造成一定的干擾，增加缺陷信號(hào)識(shí)別的難度。因此，研究鋼絞線(xiàn)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(yùn)用導(dǎo)波技術(shù)，還為研究鋼絞線(xiàn)缺陷定量檢測(cè)提供基礎(chǔ)。進(jìn)一步尋找合適的導(dǎo)波信號(hào)處理方法，可以幫助提高檢

5、測(cè)信號(hào)的信噪比，也直接關(guān)系到鋼絞線(xiàn)小缺陷檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性。導(dǎo)波檢測(cè)鋼絞線(xiàn)及其組成構(gòu)件的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，吸引許多學(xué)者對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了不同程度的研究。最初由于導(dǎo)波檢測(cè)機(jī)理的復(fù)雜性，多數(shù)研究集中在鋼絞線(xiàn)單處缺陷檢測(cè)的可行性分析上。隨著研究的深入，又因?yàn)殇摻g線(xiàn)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(lái)研究鋼絞線(xiàn)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(shí)的反射特性分析，也未涉及鋼絞線(xiàn)多處缺陷的檢測(cè)。而實(shí)際應(yīng)用中，長(zhǎng)距離的在役鋼絞線(xiàn)易發(fā)生腐蝕、多處斷絲等缺陷。從導(dǎo)波檢測(cè)原理可知，導(dǎo)波在

6、鋼絞線(xiàn)中遇到一處缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生反射，這會(huì)降低導(dǎo)波向前傳播的能量，從而影響下一處缺陷的檢測(cè)。因此導(dǎo)波技術(shù)用于鋼絞線(xiàn)多處缺陷的檢測(cè)值得進(jìn)一步深入研究，這也對(duì)理解鋼絞線(xiàn)中導(dǎo)波的傳播特性有所幫助。另一方面，由于導(dǎo)波信號(hào)是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)，傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法如短時(shí)傅里葉變換，小波變換和Wigner-Ville變換對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)，雖能提高原始檢測(cè)信號(hào)的信噪比，但是具有一定的局限性。所以導(dǎo)波信號(hào)處理方法也需要繼續(xù)研究。近年來(lái)，一種新方法－希爾波特黃變換在處理非線(xiàn)性、非平穩(wěn)數(shù)據(jù)方面突出了優(yōu)勢(shì)。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(wú)損檢測(cè)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(yàn)證，其在導(dǎo)波信號(hào)處理方面的潛力值得進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。2華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2國(guó)內(nèi)外研究概況1.2.1鋼絞線(xiàn)導(dǎo)波檢測(cè)研究概況[1]早在19世紀(jì)80年代，L.Rayleigh就從理論上開(kāi)始研究聲波在彈性固體中的傳播問(wèn)[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(jì)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(xiàn)的計(jì)算做出了突出貢[4]獻(xiàn)。導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)方面的研究起始于196

8、3年，A.H.Fitch通過(guò)施加脈沖信號(hào)在空心圓柱中激[5]勵(lì)出縱向軸對(duì)稱(chēng)和非軸對(duì)稱(chēng)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(duì)U型管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。上世紀(jì)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(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。[6-8]英國(guó)帝國(guó)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究