一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法技术

本发明专利技术涉及钢绞线应力无损检测技术领域，尤其是一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法，基于超声导波频散特性和非线性摄动理论相结合，建立钢绞线轴向应力的变化与频散特性的变化之间的关系，包括：利用改进的半解析有限元方法获取钢绞线的频散曲线；以钢绞线的频散曲线确定应力检测频率；建立以相速度对应力的敏感度和模态振型为指标模型确定应力检测模态；根据应力检测频率和应力检测模态，利用群速度的摄动量与钢绞线的频散特性之间的关系反算钢绞线的轴向应力

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法


[0001]本专利技术涉及钢绞线应力无损检测
，尤其是一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法
。

技术介绍

[0002]钢绞线在民用基础设施中用作受拉元件，如斜拉桥和预应力混凝土结构
。
由于钢绞线受到疲劳
、
腐蚀
、
振动等因素影响，其使用寿命很大程度降低，甚至出现断裂，从而引发安全事故，因此对钢绞线的应力水平进行现场检测变得势在必行
。
钢绞线是由多根钢丝绞合而成的，不仅结构的几何特性复杂，接触钢丝之间的摩擦
、
挤压等耦合作用使得钢绞线呈现高度的非线性，这些因素使得对钢绞线损失的研究变得十分困难
。
传统的钢绞线损失检测方法有射线检测法
、
漏磁检测法
、
声波检测法等，存在很多局限性
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法，基于超声导波频散特性和非线性摄动理论相结合，建立了钢绞线轴向应力的变化与频散特性的变化之间的关系，在不同的轴力作用下，导波频散特性会随之而改变，建立以相速度对应力的敏感度和模态振型为指标模型确定应力检测的模态，最后根据群速度的摄动量反算钢绞线的应力，实现钢绞线的应力检测
。
[0004]本专利技术目的实现由以下技术方案完成：
[0005]一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法，其特征在于：该检测方法基于超声导波频散特性和非线性摄动理论相结合，建立钢绞线轴向应力的变化与频散特性的变化之间的关系，包括：
[0006]利用改进的半解析有限元方法获取钢绞线的频散曲线；
[0007]以钢绞线的频散曲线确定应力检测频率；
[0008]建立以相速度对应力的敏感度和模态振型为指标模型确定应力检测模态；
[0009]根据应力检测频率和应力检测模态，利用群速度的摄动量与钢绞线的频散特性之间的关系反算钢绞线的轴向应力
。
[0010]根据所述钢绞线的螺旋周期结构的空间排布规律改进半解析有限元方法获取所述钢绞线的频散曲线，所述频散曲线包括所述钢绞线的相速度频散曲线和群速度频散曲线
。
[0011]所述钢绞线的轴向应力通过下式计算得到：
[0012][0013]式中：
ρ
为密度
、
Δξ
为波数变化量
、
为特征向量的转置
、K3为系统刚度矩阵
、
ξ
m
、
分别为波数和摄动后的波数
、M
为系统质量矩阵
。
[0014]本专利技术的优点是：实现弯曲
、
扭转的钢绞线轴向应力的无损检测；仅需测定一次群速度，便可实现对钢绞线轴向应力的简便
、
精确计算，并且具有高精度的优势；除了钢绞线之外，也可应用于其他弯曲
、
扭转的材料以及均匀直波导结构的轴向应力检测，具有广阔的应用范围
。
附图说明
[0015]图1为本专利技术中钢绞线横截面有限元离散图；
[0016]图2为本专利技术中钢绞线相速度频散曲线图；
[0017]图3为本专利技术中钢绞线群速度频散曲线图；
[0018]图4为
30kHz
下模态
10
的应力计算值与应力假定值关系图
。
具体实施方式
[0019]以下通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
[0020]实施例：本实施例中基于导波频散特性的钢绞线轴向应力检测方法，通过针对钢绞线的特殊螺旋几何结构，对现有的半解析有限元法进行改进，使其适用于螺旋波导介质；建立应力检测选择模型，同时将钢绞线导波频散特性与非线性摄动定理结合，推导了利用群速度摄动量评估钢绞线轴向应力
。
[0021]半解析有限元
(semi
‑
analytical finite element,SAFE)
方法是用于研究任意截面的均匀直波导结构的一种有效方法，而钢绞线是一种具有螺旋周期结构，并且线间接触复杂，普通半解析有限元并不适用于螺旋的钢绞线
。
因此根据钢绞线螺旋周期结构的空间排布规律对半解析有限元方法进行有针对性的改进
。
[0022]如图1所示，由于钢绞线具有周期元素的螺旋结构，需要两个正交的坐标系
。
一个是固定的笛卡尔坐标
(X,Y,Z)
，另一个是随横截面沿钢绞线中心轴旋转的旋转坐标
(x,y,z)。
这两个坐标系之间的关系可以用数学公式表示为：
[0023][0024]式中：
θ
为钢绞线中螺旋周期结构的旋转速率，
θ
Z
表示钢绞线中螺旋周期结构的旋转角度
。
一般而言，钢绞线一个周期单元的旋转角度
θ
Z
为2π
，则
θ
＝2π
/L
e
，
L
e
为周期单元的轴向长度
。
[0025]局部坐标系中任意一点的位移
u、
应力
σ
和应变场
ε
可分别表示为：
[0026][0027]钢绞线为各向同性弹性材料，以三角形三节点对波导截面进行有限元离散时，任意单元节点位移
u
(e)
表示为：
[0028]u
(e)
(x,y,z,t)
＝
N(x,y)q
(e)
e
i(
ξ
z
‑
ω
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0029]式中：
N(x,y)
为单元形函数，
q
(e)
为单元节点位移向量，
ξ
为波数，
ω
为频率，
t
为时间，
i
表示虚数单位
。
[0030]单元应变用节点位移表示为：
[0031]ε
(e)
＝
(L
xy
+L
z
)N(x,y)q
(e)
e
i(
ξ
z
‑
ω
t)
＝
(B1+i
ξ
B2)q
(e)
e
i(
ξ
z
‑
ω
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0032]式中
:L
xy
、L
z
为微分算子，
B1、B2为应变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法，其特征在于：该检测方法基于超声导波频散特性和非线性摄动理论相结合，建立钢绞线轴向应力的变化与频散特性的变化之间的关系，包括：利用改进的半解析有限元方法获取钢绞线的频散曲线；以钢绞线的频散曲线确定应力检测频率；建立以相速度对应力的敏感度和模态振型为指标模型确定应力检测模态；根据应力检测频率和应力检测模态，利用群速度的摄动量与钢绞线的频散特性之间的关系反算钢绞线的轴向应力
。2.
根据权利要求1所述的一种螺旋结构应力状态导波无损检测方法，其特征在于：根据所述钢绞线的螺旋周期结构的空间排布规律改进半解析有限...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华鹏，李浩华，张国印，周杭，罗伟兵，李苇航，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：