[發明專利]基于高階聲彈性超聲導波的對稱截面桁條的軸向應力監測方法

有效

• 申請號: 201711338717.7
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN108168745B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 武湛君;楊正巖;張佳奇;劉科海;周凱;鄭躍濱;馬書義;高東岳
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01L1/25
• 分類號: G01L1/25;G01L5/173
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明公開了一種基于高階聲彈性超聲導波的對稱截面桁條的軸向應力監測方法，本發明在基于高階聲彈性的理論基礎上結合半解析有限元研究了軸向應力作用下對對稱截面桁條導波傳播的影響，求出了無應力和應力下的導波的速度和速度變化情況，并根據得到的結果選擇適合應力監測的模態和激勵頻率。根據該模態的傳播特性設計傳感器陣列，完成整體應力監測。本發明在理論和應用填補了對稱截面桁條在超聲導波應力監測的空白，為對稱截面桁條超聲導波應力監測提供了整體思路和方法。

技術領域

本發明涉及軸向應力監測技術領域，尤其涉及一種基于高階聲彈性超聲導波的對稱截面桁條的軸向應力監測方法。

背景技術

在造成結構損傷事故的原因中，結構失穩與應力集中這一原因不容忽視，而這都是由于構件的受力超載造成的，因此，對于結構的受力狀況進行檢測，對于結構健康監測領域是一項重要挑戰。超聲導波技術具有檢測精度高，靈敏度高等優點，成為應力監測中的一個重要方法。基于聲彈性理論開展應力監測技術，聲彈性理論是研究彈性波傳播速度和應力之間關系而建立起來的。

超聲導波應力監測靈敏度較高，對于很小的速度變化都可以快速檢測，但是由于桁條橫截面形狀的復雜性，其內部傳播的導波模態復雜。不同導波的傳播速度、振型、應力敏感度皆不相同，所以研究桁條的在應力情況下的導波傳播特性尤為重要。在利用有限元計算應力載荷對結構波傳播速度的影響時，忽略了三階彈性常數對于聲彈性的作用，導致實驗結果與計算結果不相符的現象。超聲導波聲彈性解析的方法只適合于板等簡單的結構，不適用于對稱截面或者更復雜的結構。理論方法的空缺使得利用超聲導波聲彈性效應進行應力檢測時，主要利用實驗標定選出適合聲彈性檢測的模態和頻率。因此研究一種適合于擴展到任意截面結構的應力頻散計算中，進而選出合適的導波模態和激勵頻率進行應力檢測，根據計算得到的結果進行傳感器的優化布置，具有實際的應用意義。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種基于高階聲彈性超聲導波的對稱截面桁條的軸向應力監測方法，首先計算該波導結構的頻散曲線，應力靈敏度曲線，優選出應力監測模態和頻率，并在計算結果指導下設計傳感器陣列，對于異性截面桁條進行應力監測，具體方案為：

包括以下步驟：

S1：利用半解析有限元求解無應力下桁條的相速度和群速度頻散曲線，分析頻散曲線，選取頻散較小的模態和激勵頻率段；

S2：將預應力條件下波的傳播分為預應力變形過程和波傳播兩個過程，波傳播的過程利用高階聲彈性半解析有限元求解不同應力下的相速度曲線，并求解應力靈敏度曲線，即相速度變化值曲線△cp＝cpσ‐cp₀，cp_σ是軸向應力為σ時的相速度值，cp₀是無應力時的相速度值；

S3：分析對稱截面結構得到應力靈敏度曲線，結合S1的結果，選取最佳導波模態和相應激勵頻率作為軸向應力監測的模態和激勵頻率；

S4：根據半解析有限元的結果求得選取模態的陣型圖，并根據其特征設計適合進行應力監測的傳感器陣列；

S5：對對稱截面結構激勵端和接收端傳感器進行安裝，一端表面安裝導波激勵源，另一端表面安裝導波接收器以接收激發的導波信號；

S6：桁條中導波與應力相關的信號特征提取：計算不同應力下的理論相移△t，擬合相移曲線，通過該擬合的曲線在實驗過程中獲取應力對比于無應力的相移，通過擬合的曲線獲取應力實現桁條導波應力監測。

進一步的，S2中將預應力條件下波的傳播過程分為受預應力變形過程和波傳播過程兩個過程，應力變形過程假設材料是各向同性的彈性材料，波傳播過程則假設材料為超彈性材料，S21：采用Murnaghan理論模型得到在應力變形下的波傳播過程的控制方程，

其中，