一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法技术

本发明专利技术涉及钢轨道岔技术领域，涉及一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，包括以下步骤：一、建立频散曲线：分别计算变截面钢轨断面的频散曲线，将不同断面类似波模式的频散曲线按照纵向位置拟合生成“波数

【技术实现步骤摘要】
一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法


[0001]本专利技术涉及钢轨道岔
，具体地说，涉及一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法。

技术介绍

[0002]导波是指由于结构边界的存在所形成的具有多模式性和频散特性的弹性波。导波的本质是一种在固体结构中传播的应力波，在弹性固体波动学中，通常将具有一定形状和边界的能够对应力波的传播方向进行引导的固体介质称为波导。导波在结构中传播的机理研究是导波理论的基础，对于基于导波的结构健康监测技术的成熟应用至关重要，是后续研究工作开展的基石。基于导波的结构健康监测是一种有前途的技术，可以连续监测并识别结构伤损。但由于道岔直尖轨沿线路纵向具有变截面特征，对于该结构的导波传播特性研究仍然是比较困难。
[0003]频散曲线不仅可以用来描述不同频率下的导波在波导介质中的传播特性、导波速度，还可以用于指导导波无损检测试验，例如导波模态的选取、激励频率的选择以及模态辨识等。由于钢轨横截面几何形状复杂，无法像横截面规则的弹性体一样得到频散方程，要获得钢轨中导波的频散曲线只能采用数值方法，将波动方程转化成频域方程，然后通过引入合适的位移和应力边界条件，求解频域方程的特征值，进而求得频散曲线。
[0004]弹性波在截面缓慢变化的波导中的传播是现有研究中的一个难点，因为波模式的频散特性不仅随频率变化，而且随截面变化而改变。这意味着波数、相速度和群速度，对于每种波模式都连续变化。目前没有有效的数值方式可以得到变截面直尖轨的频散关系，无法指导尖轨伤损检测。

技术实现思路

>[0005]本专利技术的内容是提供一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0006]根据本专利技术的一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，其包括以下步骤：
[0007]一、建立频散曲线：分别计算变截面钢轨断面的频散曲线，然后将不同断面类似波模式的频散曲线按照纵向位置拟合生成“波数-频率-位置”三维频散曲面；
[0008]二、分析频散特性：基于“波数-频率-位置”三维频散曲面，应用半解析有限元方法计算特征断面的波数-频率频散曲线和导波结构；
[0009]三、有限元仿真验证：使用ANSYS建立尖轨模型进行仿真，然后利用二维快速傅里叶变换2D-FFT对采集到的数据进行频率波数频散曲线识别，最后将仿真结果与半解析有限元方法计算的频率波数频散曲线进行比较。
[0010]作为优选，步骤一中，首先将变截面道岔钢轨沿纵向划分成n-1(n≥1)段，然后分别计算变截面钢轨n个断面的频散曲线。
[0011]作为优选，步骤三中，仿真过程中，在直尖轨顶宽端面的网格加载垂向激励信号，
激励信号为Hanning窗调制的中心频率为30kHz的10周期正弦波信号。
[0012]作为优选，步骤三中，距离激励位置0.32m和1.32m范围内，每隔4毫米设置一组数据采集阵列，然后利用二维快速傅里叶变换2D-FFT对采集到的数据进行频率波数频散曲线识别。
[0013]作为优选，半解析有限元方法为：
[0014]设钢轨为各向同性的，波在x方向上传播，在y-z平面上有等截面；可用空间分布函数来表示钢轨中任意一点的位移，表示如下：
[0015][0016]式中：k为波数，w为频率，虚数单位
[0017]应用有限元法建立了单元质量矩阵和刚度矩阵，并将其组合成整体矩阵和自由谐波振动的矩阵特征值问题；
[0018][K1+ikK2+k2K
3-w2M]U＝0；
[0019]式中K
n
(n＝1,2,3)是与波数相关的矩阵，M是质量矩阵，U代表特征向量；可以通过在等式中指定一个实际波数并求解特征值问题来计算传播模式，以获得实数频率和振型；
[0020]或者，为了计算特定频率下的波数，方程组可以被布置为：
[0021][0022][0023]式中0表示大小为M
×
M的零矩阵；等式产生M个正向和M个反向特征值对的2M个特征值输出；计算出的特征值可以是实数，复数或虚数；复数和虚数特征值表示渐逝模式，而实数特征值表示选定频率下的传播模式；群速度计算公式如下所示：
[0024][0025]本专利技术的技术效果如下：
[0026]1.本专利技术把道岔钢轨分为n个特征断面并利用半解析有限元方法计算其三维频散曲面，节省了计算时间；
[0027]2.考虑到钢轨道岔连续变截面的特点，通过选取道岔钢轨的特殊断面研究其频散曲线，可以得到整个道岔钢轨的频散曲面以及频散特性；
[0028]3.通过仿真验证的结果，证明了该方法应用在变截面道岔钢轨的有效性，为检测弹性波在变截面钢轨传播提供了有效的理论指导。
附图说明
[0029]图1为实施例1中一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法的流程图；
[0030]图2为实施例1中三维频散曲面的示意图；
[0031]图3为实施例1中波数-频率频散曲线的示意图；
[0032]图4为实施例1中波数-频率频散曲线的另一示意图；
[0033]图5为实施例1中mode1波结构的示意图；
[0034]图6为实施例1中mode2波结构的示意图；
[0035]图7为实施例1中30kHz下不同波数对应波结构的示意图；
[0036]图8为实施例1中尖轨模型的示意图；
[0037]图9为实施例1中激励信号的示意图；
[0038]图10为实施例中节点激励仿真的示意图；
[0039]图11为实施例1中仿真后频率波数频散曲线的示意图。
具体实施方式
[0040]为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本专利技术进行解释而并非限定。
[0041]实施例1
[0042]如图1所示，本实施例提供了一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，其包括以下步骤：
[0043]一、建立频散曲线：分别计算变截面钢轨断面的频散曲线，然后将不同断面类似波模式的频散曲线按照纵向位置拟合生成“波数-频率-位置”三维频散曲面；如图2所示；
[0044]二、分析频散特性：基于“波数-频率-位置”三维频散曲面，应用半解析有限元方法计算特征断面的波数-频率频散曲线和导波结构；
[0045]三、有限元仿真验证：使用ANSYS建立尖轨模型进行仿真，然后利用二维快速傅里叶变换2D-FFT对采集到的数据进行频率波数频散曲线识别，最后将仿真结果与半解析有限元方法计算的频率波数频散曲线进行比较。
[0046]波导结构的频散特性与截面形式有着直接的关系，考虑到高速道岔变截面钢轨实际截面沿纵向连续缓慢变化的特征，在局部表现与等截面钢轨相似的弹性波传播特性，经过对不同位置各断面频散曲线的求解，发现相近断面之间的频散曲线基本一致，对于截面连续变化的变截面钢轨，其频散特性沿波导纵向连续缓慢变化；因此，步骤一中，首先将变截面道岔钢轨沿纵向划分成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，其特征在于：包括以下步骤：一、建立频散曲线：分别计算变截面钢轨断面的频散曲线，然后将不同断面类似波模式的频散曲线按照纵向位置拟合生成“波数-频率-位置”三维频散曲面；二、分析频散特性：基于“波数-频率-位置”三维频散曲面，应用半解析有限元方法计算特征断面的波数-频率频散曲线和导波结构；三、有限元仿真验证：使用ANSYS建立尖轨模型进行仿真，然后利用二维快速傅里叶变换2D-FFT对采集到的数据进行频率波数频散曲线识别，最后将仿真结果与半解析有限元方法计算的频率波数频散曲线进行比较。2.根据权利要求1所述的一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，其特征在于：步骤一中，首先将变截面道岔钢轨沿纵向划分成n-1(n≥1)段，然后分别计算变截面钢轨n个断面的频散曲线。3.根据权利要求1所述的一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，其特征在于：步骤三中，仿真过程中，在直尖轨顶宽端面的网格加载垂向激励信号，激励信号为Hanning窗调制的中心频率为30kHz的10周期正弦波信号。4.根据权利要求3所述的一种道岔变截面钢轨导波传播特性确定方法，其特征在于：步骤三中，距离激励位置0.32m和1.32m范围内，每隔4...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐井芒，王平，胡辰阳，陈嵘，刘乐，安博洋，龚政，方嘉晟，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：