基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法，包括如下步骤：对异型截面结构进行有限元离散、利用半解析有限元获取室温下该异型截面结构的波速频散曲线；建立Murnaghan超弹模型、将受温度变形条件下的波传播过程分为受温度变形过程和波传播过程；求解异型截面结构的温度敏感度曲线，通过温度敏感度曲线和波速频散曲线选取最佳激励频率f和模态M；在异型截面结构的两端分别安装压电传感器，将室温条件下异型截面结构的导波信号作为基准信号，得到温度为T的导波信号，对比两个导波信号，测得实际相移，根据拟合的相移曲线Δt获取异型截面结构的温度值，从而实现异型截面结构的温度监测。

Temperature Monitoring Method for Special-shaped Section Structures Based on Isothermal Elasticity Effect

【技术实现步骤摘要】
基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法
本专利技术涉及等温度监测
，尤其涉及一种基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法。
技术介绍
由于传播距离长、损伤灵敏度高、响应快、超声导波在结构健康监测(SHM)和无损监测(NDE)领域中得到应用广泛，其中包括损伤检测和损伤定位。研究表明，超声导波对传播环境的变化特别敏感，如温度，应力等。这些环境影响可以改变导波传播速度并导致损伤定位预测失败。此外，一些研究人员还试图利用导波传播的环境敏感性来揭示传播环境的状态。为了开发有效的SHM/NDT系统，充分了解环境因素对导波传播的影响至关重要。温度变化会导致固体中导波传播声速发生变化，这种现象称为声弹效应。由温度变化引起的声弹性效应属于非线性现象。此外，对于像铁轨这种异型截面结构，截面形状很复杂，其传播的导波模态比板和杆等简单结构复杂很多。不同频率下，不同的模态对于温度的敏感度不同，所以研究等温度弹性效应的超声导波频散计算尤为重要。同时，在利用有限元计算温度载荷对导波传播影响时，往往忽略了高阶弹性常数的因素，导致计算结果出现误差。
技术实现思路
根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法，该方法通过计算复杂的异型截面结构在不同温度水平下导波的相速度与群速度，进而得到超声导波的温度敏感度随频率的变化曲线；该方法基于半解析有限元的方法结合温度声弹性理论，将Murnaghan超弹模型引入到计算中。将受温度变形条件下的波传播过程分为受温度变形过程和波传播两个过程，受温度产生变形过程假设材料是各项同性，波传播过程则假设为超弹性模型；该方法具体包括以下步骤：对异型截面结构进行有限元离散、利用半解析有限元获取室温下该异型截面结构的波速频散曲线；建立Murnaghan超弹模型、将受温度变形条件下的波传播过程分为受温度变形过程和波传播过程；求解异型截面结构的温度敏感度曲线，通过温度敏感度曲线和波速频散曲线选取最佳激励频率f和模态M；在异型截面结构的两端分别安装压电传感器，其中一端为激励端，一端为接收端，通过压电传感器的力电耦合效应将电信号转化为位移信号，其中位移信号沿着异型截面结构的长度方向传播，其中接收端用于接收位移信号并将其转化为电信号；将室温条件下异型截面结构的导波信号作为基准信号，得到温度为T的导波信号，对比两个导波信号，测得实际相移，根据拟合的相移曲线Δt获取异型截面结构的温度值，从而实现异型截面结构的温度监测。进一步的，对于异型截面结构，设在受温度变形过程下异型截面结构的材料为各向同性、波传播过程下异型截面结构为超弹性材料。进一步的，所述温度敏感度曲线的求解方式为：△cp＝cpT-cp0其中，cpT是温度为T时异型截面结构的相速度值，cp0是室温条件下异型截面结构的相速度值。进一步的，所述受温度变形过程下异型截面结构波传播方程为：其中，δij为克罗内克函数，Cijkl为二阶弹性常数，Cijklmn为三阶弹性常数。进一步的，受温度变形条件下波传播过程中异型截面结构的有效声弹性常数为：其中，Cij为利用Voight符号表达的二阶弹性常数，Cijk为利用Voight符号表达的三阶弹性常数。进一步的，异型截面结构的波动方程由哈密顿原理获得，基于半解析有限元法的等温度弹性效应的超声导波均质波动方程为：(K(ξ)-ω2Μ)U＝0其中U是位移向量由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法，该方法基于半解析有限元的方法结合温度声弹性理论，将Murnaghan超弹模型引入到计算中，计算出在不同环境温度下，异型截面结构的超声导波的频散曲线，进而得到温度灵敏度曲线，选取温度监测的最佳激励频率和模态，最终完成异型截面结构的温度监测。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术方法的流程图；图2为本专利技术所选取的铁轨波传播图；图3为本专利技术轴对称情况下的有限元离散网格划分；图4为本专利技术室温20℃下的相速度频散曲线；图5为本专利技术室温20℃下的群速度频散曲线；图6为本专利技术对称模态的相速度温度敏感度曲线；图7为本专利技术反对称模态的相速度温度敏感度曲线；具体实施方式为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：如图1所示的一种基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法，具体包括如下步骤：S1：选取要进行温度监测的异型截面结构Ⅰ，对其截面进行有限元离散。利用半解析有限元，计算出室温下该结构的波速频散曲线；S2：基于半解析有限元的方法结合温度声弹性理论，将Murnaghan超弹模型引入到计算中。将受温度变形条件下的波传播过程分为受温度变形过程和波传播两个过程，求解异型截面结构的温度敏感度曲线，通过温度敏感度曲线和波速频散曲线选取最佳激励频率f和模态M。对于异型截面结构，设在受温度变形过程下异型截面结构的材料为各向同性、波传播过程下异型截面结构为超弹性材料。S3：求解温度敏感度曲线，求解方法为：△cp＝cpT-cp0其中，cpT是温度为T时结构Ⅰ的相速度值，cp0是室温条件下结构Ⅰ的相速度值；S4：通过温度灵敏度曲线结合S1中半解析有限元求解得到的波速频散曲线，选取频散较小且对温度较为灵敏的频率和模态作为温度监测的最佳激励频率f和模态M；S5：在结构I上的两端分别安装压电传感器，一端为激励端，一端为接收端，分别安装激励端和接收端的传感器，传感器与结构I表面耦合。S6：激励端传感器激励信号为汉宁窗调制的n周期、频率为f的电信号，通过压电传感器的力电耦合效应将电信号转化为位移信号，位移信号沿着结构I的长度方向传播，并由接收传感器接收，最后转化为电信号。S7：得到室温条件下结构I的导波信号，作为基准信号，得到温度为T时的导波信号，对比两个信号，测得实际相移，从而根据拟合的相移曲线Δt获取结构I的温度，从而实现结构I的温度监测。进一步的，S2基于半解析有限元的方法结合温度声弹性理论，将Murnaghan超弹模型引入到计算中。将受温度变形条件下的波传播过程分为受温度变形过程和波传播两个过程，受温度产生变形过程假设材料是各项同性，波传播过程则假设为超弹性材料。S21采用Murnaghan理论模型得到在温度影响下产生的变形的波传播方程为：其中，δij为克罗内克函数，Cijkl为二阶弹性常数，Cijklmn为三阶弹性常数S22：基于温度声弹性理论，可以推导出用于半解析有限元计算的在各向同性介质中有效声弹性常数为：其中，Cij为利用Voight符号表达的二阶弹性常数，Cijk为利用Voight符号表达的三阶弹性常数。S23：异型截面结构的波动方程由哈密顿原理给出，基于半解析有限元法的等温度弹性效应的超声导波一般均质波动方程为：(K(ξ)-ω2Μ)U＝0其中U是位移向量实施例：本实施例中异型截面结构选取铁轨，具体步骤如下：1.1利用半解析有限元法进行求解，铁轨是对称结构，为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法，其特征在于，包括：对异型截面结构进行有限元离散、利用半解析有限元获取室温下该异型截面结构的波速频散曲线；建立Murnaghan超弹模型、将受温度变形条件下的波传播过程分为受温度变形过程和波传播过程；求解异型截面结构的温度敏感度曲线，通过温度敏感度曲线和波速频散曲线选取最佳激励频率f和模态M；在异型截面结构的两端分别安装压电传感器，其中一端为激励端，一端为接收端，通过压电传感器的力电耦合效应将电信号转化为位移信号，其中位移信号沿着异型截面结构的长度方向传播，其中接收端用于接收位移信号并将其转化为电信号；将室温条件下异型截面结构的导波信号作为基准信号，得到温度为T的导波信号，对比两个导波信号，测得实际相移，根据拟合的相移曲线Δt获取异型截面结构的温度值，从而实现异型截面结构的温度监测。

【技术特征摘要】
1.一种基于等温度弹性效应的异型截面结构的温度监测方法，其特征在于，包括：对异型截面结构进行有限元离散、利用半解析有限元获取室温下该异型截面结构的波速频散曲线；建立Murnaghan超弹模型、将受温度变形条件下的波传播过程分为受温度变形过程和波传播过程；求解异型截面结构的温度敏感度曲线，通过温度敏感度曲线和波速频散曲线选取最佳激励频率f和模态M；在异型截面结构的两端分别安装压电传感器，其中一端为激励端，一端为接收端，通过压电传感器的力电耦合效应将电信号转化为位移信号，其中位移信号沿着异型截面结构的长度方向传播，其中接收端用于接收位移信号并将其转化为电信号；将室温条件下异型截面结构的导波信号作为基准信号，得到温度为T的导波信号，对比两个导波信号，测得实际相移，根据拟合的相移曲线Δt获取异型截面结构的温度值，从而实现异型截面结构的温度监测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于异型截面结构，设在受温度变形...

【专利技术属性】
技术研发人员：武湛君，杨正岩，刘科海，张佳奇，周凯，郑跃滨，高东岳，马书义，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21