[發明專利]一種一階螺旋桿頻散特性的提取方法

有效

• 申請號: 201310473916.4
• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN103559332A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 吳斌;田博;劉秀成;唐楠;高博
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

技術領域

本發明涉及一種基于二維傅里葉變換提取一階螺旋桿結構頻散特性的方法，屬于超聲導波無損檢測領域。

背景技術

鋼絞線被廣泛應用于工程上的各個領域，如斜拉橋索、高層建筑電梯繩與索道等生命線工程。一階螺旋桿結構是鋼絞線中的基礎結構，作為系統中重要的支撐構件，其機械性能狀況的好壞直接影響到整體結構的安全和使用壽命。因此需要應用無損檢測手段對鋼絞線結構進行定期檢測，以及時發現缺陷、評估其健康狀態，以避免構件失效帶來損失和災害。超聲導波技術作為一種新的無損檢測方法，具有檢測傳播距離長、覆蓋范圍全面、效率高等特點，已被廣泛應用于管、桿、板等結構的缺陷檢測中。

頻散特性是超聲導波檢測過程中確定檢測方案的重要參考和依據，現有的波導頻散特性提取方法普遍是通過理論計算來獲得特定結構頻散特性的數值描述。然而如鋼絞線和圓柱螺旋壓縮彈簧等含有一階螺旋桿結構的復雜構件，由于其結構的復雜性無法通過理論計算直接得到其頻散特性的數值描述，因此研究一階螺旋桿結構的頻散特性提取方法具有非常重要的現實意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種直接通過檢測信號來提取一階螺旋桿結構頻散特性曲線的方法。一階螺旋桿結構示意及坐標系如附圖2所示，圖中：(X,Y,Z)為固定參考坐標；Z軸為螺旋中心；(x,y,s)為沿螺旋線的曲線坐標系；θ_p為空間軌跡在XY平面投影圓弧所經過的角度，稱作旋轉角；R_h為螺旋線中心在XY平面投影的半徑，稱作螺旋半徑；，L_p為螺旋線旋轉一周沿Z向行進的距離，稱作捻距。首先通過有限元仿真計算獲得一階螺旋桿模型沿螺旋中心軸Z軸方向上等間距的多組加速度瞬態信號，然后對得到的加速度瞬態信號進行二維傅里葉變換獲得波數—頻率分布圖，最后分別對多模態中每個模態的極大值進行追蹤和運算，提取出一階螺旋桿結構的相速度頻散曲線。因此，該方法可以用于一階螺旋桿結構頻散特性的提取，能夠對鋼絞線結構的頻散特性研究提供有力支持。

本發明的具體實現步驟如下：

1）建立一階螺旋桿模型，并在該模型母線上沿螺旋中心軸Z軸方向取等間距的M個點作為信號采集點，通過有限元計算各采集點的加速度瞬態信號，即形成一個行列矩陣X，其中行向量表示螺旋桿某一位置上采集到的不同時刻的加速度信息，列向量代表某一時刻所有信號采集點上的加速度信息；

2）將步驟1得到的矩陣X中的每個行向量分別進行時域傅里葉變換，得到經過第一次傅立葉變換后的矩陣，其中第i行第k列元素的變化公式如下：

Ai[k]=Σn=0Ns-1xi[n]e-j2πnk/Ns]]>

其中:i=0,1,2…M-1，k=0,1,2…N_s-1，x_i[n]代表矩陣X中第i個行向量，j代表虛部，M為信號采集點總個數，N_s為信號采樣時刻；

3）對步驟2中得到的矩陣的每個列向量進行空間域的傅里葉變換，將導波信號的位置信息變換為波數信息，得到一階螺旋桿結構波數—頻率分布圖，該分布圖橫坐標為頻率f，縱坐標為波數k，其中第i行第k列元素的變化公式如下：