基于主动Lamb波的疲劳裂纹监测技术研究
由于基于主动Lamb波的结构健康监测方法具有监测全面、监测范围广、低成本、高灵敏度、低能耗、参数化设计等优点，因而受到了广泛的关注，具有深入研究的价值和广泛的应用前景。 门座起重机是港口作业的主要设备，它的安全运行是非常重要的。疲劳裂纹是门座式起重机失效的主要因素，给起重机带来的危害性极大，常常危及到起重机的使用安全，因其造成的事故往往是灾难性的。因此，在起重机上实现结构健康监测具有重大而深远的意义。 AHE-SGII-1.0型号的疲劳裂纹监测装置是通过采用基于主动Lamb波的结构健康监测方法来对疲劳裂纹进行实时在线监测的。本文以门座式起重机臂架所用的钢板作为研究对象，采用疲劳裂纹监测装置，对基于主动Lamb波的疲劳裂纹监测方法进行了研究，为疲劳裂纹监测装置用于门座式起重机臂架的巡检工作奠定基础。本文主要从以下几个方面做了相关研究： （1）总结分析了港口门座起重机中易于出现疲劳裂纹的金属结构以及疲劳裂纹对起重机械的危害性；阐述了大型起重设备中实现结构健康监测的重要性及基于主动Lamb波的结构健康监测技术应用于起重设备的意义；综述了基于主动Lamb波的结构健康监测技术的国内外研究现状。 （2）介绍了Lamb波的基本概念、Lamb波的传播特性（频散现象、多模态现象、衰减现象）以及Lamb波的频散曲线。 （3）阐述了压电元件的相关理论，分析了压电薄膜传感器（PVDF）和压电陶磁传感器（PZT）的工作原理、影响激励信号的因素、常用的Lamb波信号处理技术和基于主动Lamb波的疲劳裂纹损伤识别和定位的方法。 （4）采用有限元的方法，通过ABAQUS有限元仿真软件，以健康和含有疲劳裂纹的门座起重机臂架所用钢板为对象，对基于主动Lamb波的钢板监测过程进行了仿真模拟。在ABAQUS有限元仿真软件中建立有限元模型并选取网格单元类型为平面应变单元，通过相关计算，在保证有限元计算效率和准确性的基础上，以0.2mm为最小单元长度，采用结构化网格划分技术划分网格单元。以中心频率为100KHz，5个周期的经HANNING窗调制的正弦信号作为激励信号，在板中施加位移载荷，边界条件为自由边界条件，设定时间步长为20ns，对钢板模型进行求解计算。从接收点采集的的信号中可以看出，Lamb波在钢板中传播的过程中，Lamb波频散出了两种模态的Lamb波信号，即对称模态Lamb波S0和反对称模态Lamb波A0。Lamb波在健康钢板中的响应信号有两种，即Lamb波激励信号和边界回波信号，而Lamb波在损伤钢板中的响应信号有三种，即Lamb波激励信号、边界回波信号和缺陷回波信号。文中通过分析健康钢板和损伤钢板中的响应信号的差信号来实现了对Q235钢板中的疲劳裂纹的识别和定位，通过有限元计算出的疲劳裂纹的位置接近钢板的中心位置，验证了有限元方法的有效性、可行性。 （5）采用AHE-SGII-1.0型号疲劳裂纹监测装置，对基于主动Lamb波的疲劳裂纹监测方法进行了实验研究。在实验过程中，压电陶瓷片既充当激励传感器同时也充当传感器。在钢板中布置四个传感器，其中一个传感器作为激励传感器在板中激发Lamb波信号，其它三个传感器作为接受传感器，采集Lamb波响应信号。采用小波变换的信号处理方法分析处理采集到的Lamb波信号。我们可以得到三种波形图，即健康板中的Lamb波信号、损伤板中的Lamb波信号和两种信号的差信号。疲劳裂纹的相关信息都包含在差信号里。由于Lamb波在传播过程中遇到缺陷会发生反射现象，因此，损伤板中的Lamb波响应信号中会出现缺陷回波信号，从而可以判断疲劳裂纹的存在。依据椭圆定位原理，在相邻的三个压电陶瓷传感器中，根据Lamb波的传播路径可以确定两个椭圆，从而可以确定4个疲劳裂纹的位置，并对比分析了实验探测的结果、有限元分析的结果和实际疲劳裂纹的位置，为疲劳裂纹监测装置应用于门座式起重机臂架的巡检工作奠定了基础。
Lamb波;疲劳裂纹;Q235钢板;门座式起重机;主动监测
武汉工程大学
硕士
化工过程机械
舒安庆
2016
中文
TH213.4;U653.921
99
2018-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）