【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，该方法旨在显著提升预测结果的精确度，帮助制定更加科学合理的维护计划，有效降低桥梁运营期间的事故风险。
技术介绍
1、近年来中国的公路交通工程发展的很快，在建和在役道路桥梁规模均居全球第一。而随着中国路桥建设的迅速发展，钢桥面板以其自重低、承载能力大、安装方便等特性获得了更广泛的使用。这其中的很多桥梁的焊缝连接处都不同程度的出现了疲劳裂纹，这些裂纹无疑缩短了桥梁的使用寿命。因此如何监测钢桥面板的疲劳寿命是当今的一大难题。
2、随着数字化技术的快速发展，数字孪生在钢结构工程领域的应用越来越广泛。数字孪生技术可以通过建立精细的有限元模型来模拟钢结构的受力行为。这种模拟方法可以为设计阶段提供更为准确的计算和分析结果，提高设计质量和安全性。例如，可以使用数字孪生技术对钢结构进行静力分析、动力分析和疲劳分析等，确保其满足相应的承载能力和稳定性要求。通过实时监测钢结构的运行状态和环境因素，数字孪生可以帮助预测钢结构的性能退化和潜在风险，提前采取措施进行维护和修复。例如，通过监测钢结构的应力、应变和振动等参数，预测其疲劳寿命和安全性。
3、目前针对钢桥面板焊缝的疲劳寿命预测方法的研究还较少，我们可以将已有的超声导波监测技术以及数字孪生技术相结合来达到对在役钢桥面板剩余疲劳寿命的预测，以此提升预测结果的精确度，从而助力更加科学合理的维护计划制定，有效降低桥梁运营期间的事故风险。
技术实现思路
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2、一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
3、step1：对钢桥面板表面进行预处理，清理钢桥面板表面杂质，保证钢桥面板表面的平整度，收集钢桥面板具体参数；
4、step2：通过超声导波监测仪器对存在裂纹特征的钢桥面板区域进行监测；
5、step3：根据收集到的钢桥面板参数及监测数据，建立钢桥面板有限元模型并在对应位置预制裂纹；
6、step4：将超声导波监测仪器生成的波谱进行收集并通过5g或wifi网络传输给智能数据处理中心；
7、step5：智能数据处理中心将收集到的波谱经过分析处理得到相对应的应力数据并根据应力数据计算出实际钢桥面板剩余疲劳寿命；
8、step6：改变超声导波监测仪器位置，重复步骤step4、step5，得到各个裂纹特征位置的波谱及应力数据；
9、step7：智能数据处理中心将应力数据导入钢桥面板有限元模型中，并根据应力数据预测出理论钢桥面板剩余疲劳寿命；
10、step8：分析实测疲劳寿命与理论疲劳寿命误差是否在允许范围内，若在则结束，若不在，则返回step3对模型修正，修正后重新计算理论钢桥面板剩余疲劳寿命，直至满足误差要求，流程结束。
11、作为优选的技术方案，在对step2中的超声导波监测仪器对存在裂纹特征的钢桥面板区域进行监测时，通常采用压电传感器(piezoelectric transducer，pzt)来进行超声导波信号的激励与接收，在工作中同时具备正、逆压电效应，既可以作为激励器，也可以作为接收器。
12、作为优选的技术方案，step5中当pzt作为接收器时，由正压电效应将机械能转换为电能，当pzt作为激励器时，由逆压电效应将电能转换为机械能
13、
14、式中，d、ε、s和d分别代表压电应变常数、介电常数、柔度系数和电位移，σ和s分别代表应力和应变，e为电场强度，下标i，j＝1，2，3，4，5；m，k＝1，2，3分别代表不同方位。
15、超声导波经激励器产生以后，其在各向同性的均匀薄板中的传播特性可通过笛卡尔张量形式表示为：
16、μ.ui，jj+(λ+μ).uj，ji+ρ·fi＝ρ.üi，(i，j＝1，2，3)
17、式中，ui和fi分别为xi方向上的位移和体积力，μ和ρ分别为板的剪切模量和密度，v为泊松比，λ为拉梅常数
18、利用亥姆霍兹分解法对上式进行分解，可以得到导波的平面应变波动方程表达式：
19、
20、其中
21、
22、式中，ω为波的频率，k为波数，λ为波长，a1、a2、b1、b2为由边界条件确定的常数，cl和ct分别为纵波波速和横波波速，φ和ψ为波的位移分量。
23、由波的位移分量可得波在板中传播的实际横向位移和纵向位移为：
24、
25、当结构发生损伤后，结构的边界条件也会发生变化，从而对超声导波的传播产生影响。
26、作为优选的技术方案，在对step7中根据典型疲劳强度(s-n)曲线，关于在一定循环作用次数n下的疲劳强度(应力幅)之间的关系在对数坐标下的表达式为：
27、log nf＝a-m log σa
28、其中a与m为材料相关的参数；nf为在应力幅σa作用下失效时的作用次数，其相互关系根据疲劳试验确定。式可改写为指数形式的表达式：
29、σa＝σ′f(2nf)b
30、其中
31、b＝-1/m
32、σ′f＝10(a+lg2)/m
33、b定义为疲劳强度指数；σf′为疲劳强度系数。
34、本专利技术具有的优点和积极效果是：
35、本专利技术结合超声导波及数字孪生，监测存在裂纹特征的钢桥面板，通过有限元数值模拟计算手段，根据超声导波波谱计算出应力值，最后由已得数据计算出钢桥面板剩余疲劳寿命，以此提升预测结果的精确度，从而帮助制定更加科学合理的维护计划制定，有效降低桥梁运营期间的事故风险。
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1.一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，其特征在于：
2.如权利要求1所述的一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，其特征在于，在基于超声导波的结构健康监测技术的研究中，通常采用压电传感器(Piezoelectric Transducer，PZT)来进行超声导波信号的激励与接收，在工作中同时具备正、逆压电效应，既可以作为激励器，也可以作为接收器。
3.如权利要求1所述的一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，其特征在于，当PZT作为接收器时，由正压电效应将机械能转换为电能，当PZT作为激励器时，由逆压电效应将电能转换为机械能
4.如权利要求1所述的一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，其特征在于，在step7中根据典型疲劳强度(S-N)曲线，关于在一定循环作用次数N下的疲劳强度(应力幅)之间的关系在对数坐标下的表达式为：
【技术特征摘要】
1.一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，其特征在于：
2.如权利要求1所述的一种融合超声导波监测和数字孪生的在役钢桥面板剩余疲劳寿命预测方法，其特征在于，在基于超声导波的结构健康监测技术的研究中，通常采用压电传感器(piezoelectric transducer，pzt)来进行超声导波信号的激励与接收，在工作中同时具备正、逆压电效应，既可以作为激励器，也可以作为接收器。
3.如权...
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