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面向转向架结构健康监测的声发射波传播机理研究

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  • 【题名】:面向转向架结构健康监测的声发射波传播机理研究
  • 【年份】:2019
  • 【作者】:张建超
  • 【关键词】:声发射  转向架  传播特性  衰减  透射系数
  • 【摘要】:高速与重载是当代铁路发展的显著特点,在此背景下的转向架作为机车车辆的轨道引导者、重量支撑者和冲击承受者等多重功能的组合体,一旦发生失效,则可能会造成重大财产损失甚至人员伤亡事故。目前转向架结构定期检修所采用的无损探伤技术,并不能全面检查与评价动态裂纹的萌生发展及其危险程度。健康监测技术,特别是能够实时在线监测的声发射技术,或许成为解决转向架结构运用安全的重要出路。然而,由于转向架结构的复杂性和损伤的多样性,导致声发射波的产生机制、传播机理及衰减特性尚未完全明晰,因而成为制约声发射技术在转向架结构健康监测领域进一步应用与发展的瓶颈。针对上述问题,本文对转向架构架材料的声发射波产生、声发射波的传播特性、声发射波的衰减特性以及声发射声压透射等关键问题开展了研究,以期为转向架结构实现声发射健康监测奠定理论基础。本文的研究内容及结论如下:(1)转向架构架材料的声发射波产生与性能分析对声发射产生的根源——位错起源、增殖和塞积进行了理论研究,推导了声发射波能量、幅度与晶粒尺寸的关系式,声发射波幅度与位错切应力的关系式,声发射事件计数率与位错密度及实验参数等的关系式;明确了三个更能准确反映声发射波特性的新参数:幅度统计率、能量统计率和撞击速率;基于位错密度分布函数和无位错区理论阐明了弹性阶段的预设裂纹试件产生大量声发射信号的缘由;基于上述理论,应用声发射波幅度统计率等参数对构架S355J2材质试件单向拉伸过程的初夹、弹性、屈服、强化、颈缩(断裂)等五个阶段进行了准确划分,成功刻画了屈服“锯齿平台”和强化“三阶段”等特征,从而表明了声发射参数对材料的微观断裂比力学参量更加敏感,同时还全面掌握了转向架构架S355J2材质单向拉伸五个阶段的声发射性能。(2)转向架侧架的声发射波传播仿真及波速研究理论分析了声发射体波和兰姆波传播特性,利用LS-DYNA有限元软件模拟了Hsu-Neilsen断铅激励下声发射扩展波和弯曲波两种模态的产生机理和传播特性,研究了仿真中断铅激励力值、网格最大值以及其它参数设置等关键内容;基于此又提出了采用LS-DYNA有限元软件仿真计算板状结构两种模态波波速的方法,即提取出仿真模型中节点的纵向振动速度和垂向振动速度作为重要参数,分别用于计算扩展波和弯曲波的波速值,二者与由频散特性计算出的理论值偏差均很小;最终集成UG、HyperMesh、LS-DYNA三种软件建立了转向架侧架的有限元模型,实现了复杂结构声发射波传播过程的可视化,将波速的仿真值、现场断铅实验值及理论值相比对,证明了该方法完全适用于复杂结构的声发射声场模拟。(3)转向架构架的声发射波幅值衰减规律研究从平面波与柱面波的不同波阵面角度,对板状结构声发射波幅值衰减规律进行了理论推演,分别得到了传统的指数函数、修正的指数函数和改进的幂函数等三种幅值衰减模型,并且提取断铅实验信号单一模态的扩展波首波峰值作为衰减测量尺度予以验证;研究结果表明,全场范围的声发射波衰减规律为其幅值随传播距离增大而遵循幂函数模型形式逐渐减小,特别是在近场范围更加贴切,仅有在远场范围传统的指数幅值衰减模型才能符合声发射波的实际衰减规律;最后基于此幂函数幅值衰减规律提出声源定位新方法,并在转向架构架钢板上予以定位研究,依据检测到的声发射主要模态波首波峰值即可实现与传统幅值衰减区域定位相区别的更小范围的声源定位。(4)转向架构架的声发射声压透射系数研究提出了转向架构架钢板、氧化皮层、稱合剂层、声发射传感器陶瓷层等多层介质的声发射平面波倾斜入射模型,推导了1~层之间的位移反射系数和透射系数计算公式;进而推演了声发射平面纵波垂直入射多层介质时的透射特性,通过声压平衡方程与速度平衡方程推导出无耦合剂、有耦合剂和有氧化层等三种典型状态下的声压透射系数公式,并搭建了转向架构架钢板声压透射系数实验系统,并针对上述三种状态分别进行了透射波形的振幅检测,理论方法和实验手段的正确性得以互为印证;最后详细分析了耦合剂层声阻抗值和厚度、氧化皮层声阻抗值和厚度、传感器陶瓷层声阻抗值以及耦合层介质的内外位置参数变化等因素对声压透射系数的影响规律。本文采用理论分析、有限元仿真和实验研究的方法,以声发射波在转向架结构中的产生、扩散、衰减直至被传感器接收这一生命历程为研究主线,着重对构架材料的声发射波产生、声发射波的传播特性、声发射波的衰减特性以及声发射声压透射等问题进行了分析,本文的研究成果可为将声发射技术应用于转向架结构的健康监测提供理论指导和技术支持。
  • 【会议名称】:博士
  • 【类别名称】:杨绍普
  • 【载体】:北京交通大学
  • 【会议地点】:2019
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