钢绞线缺陷超声导波检测信号特性实验分析

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题概述1.1.1课题来源本课题主要来源于：(1)国家863计划项目（2006AA04Z435）：《斜拉索锚固区磁致伸缩导波检测关键技术的研究》(2)“十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAK06B05）：《摩天轮缆索检测关键技术研究与设备研制》。1.1.2课题的提出、目的和意义预应力钢绞线由六根弯曲钢丝以固定的螺距围绕一根中心钢丝捻制而成，其结构如图1.1所示。由于具有高效、经济、强度高、松弛性能好等特点，钢绞线已被广泛应用于高层建筑、斜拉索桥和预应力工程中。受长

2、期工作环境和承载力变化的影响，钢绞线容易产生应力腐蚀、压痕、突发性断裂等缺陷。作为主要受力构件之一，钢绞线的这些缺陷将直接危害到结构的安全性和使用寿命。据调查世界范围内的斜拉索桥发生事故时，绝大部分是由钢绞线的失效引起的。因此，在生产和使用过程中，对钢绞线进行无损检测具有非常重要的意义。图1.1钢绞线的结构传统的检测方法，如超声法、漏磁法，用于钢绞线检测时必须贴近钢绞线表面并沿其长度方向逐点扫描，产生了检测效率低、成本高、劳动强度大等问题。此外，针对复杂区域中的构件，如位于斜拉索锚固区中的钢丝和岩土中的锚

3、杆，传统方法难以实施有效检测。近年来，超声导波技术在无损检测领域备受关注，特别是在石化、电力等工业部门中得到了广泛的研究和应用。超声导波是一种弹性应力波，当其在杆、管等构件中传播时会在界面间不断来回反射，若遇到介质的变化会产生反射和透射，通过对反射波1华中科技大学硕士学位论文和透射波的检测即可获得构件的缺陷信息。导波技术在单点激励就可以实现长距离检测，并且导波在波导中传播时需要对象横截面全部质点的参与，因而可以检测出构件的内外部缺陷。这两个突出的优点使得导波检测技术不仅简单快速，而且还适用于带包覆层或复杂

4、区域中构件的检测。目前，国内外学者已经成功将导波技术用于钢绞线的缺陷检测。然而，导波检测又具有一定的复杂性。导波传播过程中伴随的衰减、频散、多模态等现象，降低了检测系统的灵敏度，致使缺陷信号常常淹没在背景噪声中。另一方面，由于钢绞线结构特殊，使得导波在其中的传播更加复杂，这对缺陷检测结果会造成一定的干扰，增加缺陷信号识别的难度。因此，研究钢绞线中导波的传播特性、缺陷反射波与缺陷尺寸的相互关系，不仅有助于更好的运用导波技术，还为研究钢绞线缺陷定量检测提供基础。进一步寻找合适的导波信号处理方法，可以帮助提高检

5、测信号的信噪比，也直接关系到钢绞线小缺陷检测的可靠性和准确性。导波检测钢绞线及其组成构件的巨大优势和应用前景，吸引许多学者对上述问题进行了不同程度的研究。最初由于导波检测机理的复杂性，多数研究集中在钢绞线单处缺陷检测的可行性分析上。随着研究的深入，又因为钢绞线由多根钢丝捻制而成，部分学者采用分解钢丝的破坏性手法来研究钢绞线中导波的传播特性。这些研究尚未涉及钢丝中导波遇到缺陷时的反射特性分析，也未涉及钢绞线多处缺陷的检测。而实际应用中，长距离的在役钢绞线易发生腐蚀、多处断丝等缺陷。从导波检测原理可知，导波在

6、钢绞线中遇到一处缺陷时会发生反射，这会降低导波向前传播的能量，从而影响下一处缺陷的检测。因此导波技术用于钢绞线多处缺陷的检测值得进一步深入研究，这也对理解钢绞线中导波的传播特性有所帮助。另一方面，由于导波信号是一种典型的非平稳信号，传统的信号处理方法如短时傅里叶变换，小波变换和Wigner-Ville变换对其进行处理时，虽能提高原始检测信号的信噪比，但是具有一定的局限性。所以导波信号处理方法也需要继续研究。近年来，一种新方法－希尔波特黄变换在处理非线性、非平稳数据方面突出了优势。其在重力波、故障诊断、生物

7、医学等领域被广泛应用，而在无损检测领域应用较少。该方法的优越性和可行性已被部分学者验证，其在导波信号处理方面的潜力值得进一步开发。2华中科技大学硕士学位论文1.2国内外研究概况1.2.1钢绞线导波检测研究概况[1]早在19世纪80年代，L.Rayleigh就从理论上开始研究声波在弹性固体中的传播问[2][3]题，得出固体表面波波速与频率相关的结论。20世纪初，Love、H.Lamb等利用数学分析方法研究了介质中波导方程的推导，为后续学者研究频散曲线的计算做出了突出贡[4]献。导波实验方面的研究起始于196

8、3年，A.H.Fitch通过施加脉冲信号在空心圆柱中激[5]励出纵向轴对称和非轴对称导波。M.G.Silk和K.F.Baiton利用压电探头在金属薄壁管中激发出L(0,1)模态导波，并使用此模态对U型管进行了实验研究。上世纪90年代，导波技术作为一种新方法，被逐渐探索并应用到无损检测领域。[6-8]英国帝国理工大学力学工程系的D.N.Alleyne、P.Cawley等采用有限元仿真和实验相结合的方法对导波检测技术进行了广泛研究