1、本科毕业设计（论文）无缝钢轨中超声导波衰减诱因研究Research on attenuation cause of ultrasonic guided wave in the seamless rail学 院： 机电学院 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 学 号： 指导教师： 北京交通大学2019 年 1 月北京交通大学毕业设计（论文） 中文摘要i中文摘要摘要：超声导波具有检测频率相对较低、传播距离远、检测距离长等特点，因此特别适用于长距离检测领域，如钢轨检测等。从这个意义上来说，超声导波是最有效的检测钢轨的方法。超声导波检测技术是一种新型的无损检测技术。利用超声导波技术可以实时监测钢轨服
2、役状态。无论是国内还是国外，针对超声导波的研究仍然在进行中，新的检测方法、检测技术和检测装置不断地被提出。检测过程中，超声导波的衰减引起了人们的重视。因此研究超声导波在钢轨中的衰减规律对于提高超声导波检测技术的效率，有着重要意义。本文主要研究无缝钢轨的温度、所受的拉压应力以及超声导波的传播距离对导波衰减的影响。利用 ANSYS 有限元仿真以及搭建实验系统进行实验，使得钢轨在不同轨道温度和拉压应力之下下，随着传播距离的增加，超声导波在钢轨中的衰减情况。再利用 MATLAB，根据所得数据拟合出相应的直线，进一步得出各诱因对超声导波衰减影响的衰减系数公式。比较由仿真和实际试验所得衰减系数，在误差允许
3、范围内，两个结果保持一致，则证明衰减系数的测定正确可靠，可以作为超声导波检测技术的重要理论依据之一。关键词：超声导波；导播衰减；钢轨；有限元；换能器北京交通大学毕业设计（论文） 英文摘要iiABSTRACTABSTRACT:Ultrasonic guided wave testing frequency is relatively low， long transmission distance，detection range，etc ，so especially suitable for long distance inspection field， such as rail detectio
4、n，etc.In this sense ， the ultrasonic guided wave is the most effective method of detecting rail.Ultrasonic guided wave testing technique is a new type of nondestructive testing technology.Ultrasonic guided wave technology can be used to real-time monitor rail service status.Both domestic and abroad，
5、study of ultrasonic guided wave is still in the works， a new detection method， detection technology and device are put forward.Testing process，and the ultrasonic guided wave attenuation aroused peoples attention.So the research on the rules of ultrasonic guided wave attenuation in the rail to improv
6、e the efficiency of ultrasonic guided wave testing technique， has important significance.This article main research seamless rail temperature，tension and compression stress of as well as the ultrasonic guided wave propagation distance of the influence of the guided wave attenuation.Using ANSYS simul
7、ation and actual test，rail under different rail moderate stress， with the increase of propagation distance，the attenuation of ultrasonic guided wave.In MATLAB again using the data fitting out the corresponding curve， further obtains the inducement of ultrasonic guided wave attenuation coefficient fo
8、rmula of attenuation effect.Compared by the simulation and experiment with the attenuation coefficient formula， in the range of allowable error，two results are consistent.So the conclusion is proved accurate and reliable for determination of the attenuation coefficient, can be used as one of the imp
9、ortant theoretical basis of ultrasonic guided wave testing technique.KEYWORDS：Ultrasonic guided wave;A director attenuation;Rail;Finite element;transducer北京交通大学毕业设计（论文） 目录iii目 录中文摘要 .iABSTRACT.ii目 录 .iii1 引言 .51.1 课题研究背景 .51.2 研究现状 .61.2.1 超声导波仿真技术研究现状 .61.2.2 钢轨频散计算研究现状 .81.2.3 超声导波检测实验研究现状 .81.3 研
10、究内容及章节安排 .92 超声导波理论概述 .102.1 超声导波的概念 .102.2 超声波频率选择 .102.3 超声导波模态分析 .112.3.1 群速度和相速度 .112.3.2 多模态和频散现象 .122.3.3 模态选择 .133 超声导波在钢轨中传播的仿真方法研究 .163.1 仿真模型建立 .173.1.1 SOLIDWORKS 软件简介 .173.1.2 钢轨模型及坐标建立 .173.2 前处理 .193.2.1 HYPERMESH 软件简介 .193.2.2 钢轨模型的前处理 .193.3 ANSYS 仿真 .213.3.1 ANSYS 软件简介及钢轨仿真概述 .213.3
11、.2 距离对超声导波衰减影响的仿真 .233.3.3 应力对超声导波衰减影响的仿真 .273.3.4 温度对超声导波衰减影响的仿真 .303.4 ANSYS 仿真结果分析 .32北京交通大学毕业设计（论文） 目录iv3.4.1 分析距离对超声导波衰减的影响 .343.4.2 分析应力对超声导波衰减的影响 .353.4.3 分析温度对超声导波衰减的影响 .363.5 超声波在钢轨中传播 ANSYS 仿真总结 .374 超声导波在钢轨中传播的实验方法研究 .384.1 实验系统 .384.1.1 实验装置介绍 .384.1.2 实验系统搭建 .414.2 实验数据测量及处理 .414.3 超声波在
12、钢轨中传播实验验证总结 .485 总结及展望 .495.1 论文工作总结 .495.2 展望 .49参考文献 .50致 谢 .51北京交通大学毕业设计（论文） 正文51 引言本章前两节从课题研究背景，和超声导波仿真技术、钢轨频散计算以及超声导波检测实验的研究现状两个方面来说明本课题的研究意义。在第三节中介绍了本文的研究内容及章节安排。1.1课题研究背景钢轨是铁路轨道的主要组成部件。它的功用在于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。我国钢轨以每米大致重量的公斤数，可分为起重机轨（吊车轨）、重轨与轻轨三种。国际上各个国家都有自
13、己的生产钢轨的标准，分类方式也不尽相同。铁路是轨道交通运输系统的重要组成，我国拥有世界第三大的铁路运输系统，以仅占全世界 6%的铁路路线长度，承担了全世界近四分之一的运量。铁路在中国承担了货物运输、人员交通的重要任务。铁路运营线上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车倾覆、脱轨等重大安全事故。我国目前钢轨状态检测主要采用有三种方法:使用手推钢轨探伤小车定期在轨道上检查、使用轨道电路进行断轨检测或使用效率最低的人工巡轨。轨道电路受道床参数影响较大，且在道床阻抗小或长期积水的隧道区段通常采用新式闭塞设备不安装轨道电路。而手推钢轨探伤小车检测速度慢，占用轨道时间长，容易受务工人员工作态度和经验的影响 。1
14、随着高速铁路的发展，无缝线路的普遍应用，传统的断轨检测方法已不能满足新形势下对检测速度和断轨检出率的要求。为提供高速列车平稳而安全的线路条件，钢轨服役状态需实时被监测。针对现有检测无缝线路钢轨断裂方法敏感度低、安装维护困难、监测范围小而且只能识别完全断裂的不足，设计钢轨完整性在线监测系统对保障铁路运输业的安全具有重要意义。超声检测是越来越受到重视的检测方法。超声波的产生必须依赖于作高频机械震动的声源和弹性介质的传播，超声波的传播过程包括振动状态和能量的传播。当超声波被局限在具有边界的介质内传播时，如圆柱、管道和平板，超声波在边界将产生反复不断的反射传导，这样就形成了由兰姆波、表面波、纵波、横波
15、等基本超声波类型以各种方式组合形成的超声导波2。与传统单一波形的能量集中式超声检测方法相比，超声导波可以在波导介质中传播很长的距离，并可以覆盖整个被检测物体的横截面。这样使得超声导波具有检测频率相对较低、传播距离远、检测距离长等特点3。因此北京交通大学毕业设计（论文） 正文6超声导波特别适用于长距离非接触检测领域，如管道检测、钢轨检测等。从这个意义上来说，超声导波检测是最有效的检测方法之一 4。超声导波断轨检测原理图如图 1-1 所示。由于不能实时监测钢轨的服役状况而造成的事故为人们带来了严重的精神和经济损失。无缝线路的采用，使列车能够在安全、平稳的同时以更高的速度运行。与此同时，无缝线路长钢
16、轨服役状况的检测也愈发重要，无论是国内还是国外，针对超声检测的研究仍然在进行中，新的检测方法、检测技术和检测装置不断地被提出。所以为了更好的利用超声导波检测钢轨的工作状况，对超声导波衰减的深入研究具有非常重要的意义和作用。1.2 研究现状1.2.1 超声导波仿真技术研究现状超声导波的仿真技术可以仿真导波在不同应力状态和不同断裂情况下钢轨中传播的响应信号，为应力和断轨信息的判断提供依据。在超声波传播过程的模拟和仿真中，目前主要应用两类方法，分别是解析方法和数值方法。解析方法须有理论方程用于计算，采用物理参数，计算时间较少，缺点是由于复杂断面结构没有理论方程，因此不适用于复杂的结构，而引入假设简化
17、后会使求解精度大大降低。数值方法包括有限差分方法、边界元方法和有限元方法等。数值方法的优点是计算结果比较精确，可以处理任意复杂的结构，缺点是需要网格定义和占用较长的计算时间和计算机资源。数值模拟中的有限元法应用最广泛。目前，超声导波应用于钢轨的仿真技术主要集中为两种方法：半解析有限元法和有限元法。图 1-1 超声导波断轨检测原理图北京交通大学毕业设计（论文） 正文7半解析有限元法是求解导波在复杂介质中频散问题的一种计算方法。采用半解析有限元法提取频散解时，只需在波导介质的截面上作有限元离散，沿波传播方向上的位移用谐波指数函数来描述。因此比三维的离散计算要节约很多，在仿真高频超声导波的传播有很大
18、的好处。缺点是无法仿真钢轨在断裂等状态下超声导波的传播，且没有有限元法获得的传播过程直观。有限元法作为一个具有理论基础和广泛应用效力的数值分析方法，可以求解过去用解析方法无法求解的问题。对于边界条件和结构形状都不规则的复杂问题，有限元方法是一种非常有效的分析方法。它可直观反应波的传播过程和声场特性，并可以模拟在应力及断轨各种工况下的波的传播。缺点是在仿真高频的超声导波传播时，将占用很大的计算机资源、耗费较长的计算时间。本文采用有限元法进行计算。中北大学的肖开丰，宋文爱对固体中的超声波动理论进行了研究，利用理论方程分析了纵波垂直入射和斜入射到长方形表面、三角形表面和棒材的传播过程。并将理论结果与
19、动态光弹实验结果进行了对比。刘长福等人利用 ANSYS 软件对超声波在薄板中的传播形态进行了模拟，得出了在平板中低频信号比高频信号扩散更严重的结论。孙继华等人从有限元基本理论出发，建立了钢的二维有限元模型，对钢中含有锅和鹤夹杂缺陷时的声波传播进行数值模拟通过分析回波的频谱结构就能知道哪种缺陷影响超声频谱的哪些参数，从而达到缺陷检测的目的。Ivan Bartolia 等人利用有限元分析仿真了平板中兰姆波的传播及仿真应用于钢轨缺陷检测。建模如图 1-2 所示，缺陷回波信号如图 1-3 (a)，实验结果如图 1-3 (b)所示:图 1-2 有限元模型图 1-3 (a) 有限元时域信号图图 1-3 (
20、b) 实验信号图北京交通大学毕业设计（论文） 正文8国内,超声导波在钢轨中有限元仿真技术的研究还处于起步阶段,可参考文献并不多。1.2.2 钢轨频散计算研究现状 由于超声导波的检测效果很大程度上取决于所选超声导波模态的传播特性。因此，对结构进行超声导波检测时，首先需要根据结构中超声导波的传播特性，如频散、波结构、衰减及可激励性，选择合适的超声导波模态类型和频率范围。对于规则截面波导（如板、杆、管）中超声导波的传播特性，其数值计算方法已经很成熟，且已有商用的数值分析软件。但对于钢轨等异型截面波导中超声导波传播特性的研究，商用软件无法完成其分析计算。因此，异型截面波导中超声导波传播特性研究目前仍是
21、超声导波研究领域的难点和热点问题。 国外很多学者开展了异型截面波导中超声导波传播特性研究。例如，J.L Rose 等利用半解析有限元的方法对任意截面波导中超声导波的传播问题进行了研究，计算出 100kHz 频率范围钢轨中主要导波模态的相速度、群速度频散曲线，并在轨头踏面、轨头侧面进行了超声导波试验验证。D. Hesse 等建立轴对称解析有限元模型，求解钢轨 350kHz 频率范围范围中的频散曲线。R.M. Sanderson 等根据固有频率分析可以提供结构在所有频率下传播的位移模态，进而通过有限元求解钢轨 60kHz 频率范围中的频散曲线。综上所述，对于任意截面波导（包括钢轨）中超声导波传播特
22、性的计算方法较单一，多采用半解析有限元计算频散特性，然后结合其他方法仿真或实验进行验证。 1.2.3 超声导波检测实验研究现状超声导波技术作为新型无损检测方法，特别适用于如管、杆等长尺寸结构的缺陷检测。超声导波因衰减小，模态多，传播距离长，检测效率高等优点，已广泛应用于多种结构健康状况诊断研究中，目前，国内外学者也开始了导波在钢轨中传播的研究。Joseph L. Rose 等认为导波在钢轨中传播的频率范围是 4080kHz，并用电磁超声传感器激励 60kHz 的 SH 波进行切槽实验。检测时，发射传感器和接收传感器相邻布置，发射传感器距切槽 4.27m 时，接收传感器接收的信号峰峰值随着切槽深
23、度的增大呈现上升趋势；发射传感器和接收传感器距离为 6.4m，发射器传感距切槽 4.27m 时，接收传感器信号峰峰值随着切槽深度的增大呈现衰减的趋势。该方法可以有效地检测钢轨的横向裂纹甚至断裂，但该方法信噪较低。北京交通大学毕业设计（论文） 正文9G. Zumpano 等将钢轨损伤检测分成了三步：假定结构表面存在损伤，使用相干函数算法计算损伤信号和无损伤信号间的时间差。用连续小波变化计算反射波的到达时间。通过射线追踪法，确定损伤位置。但是该方法检测效果受检测频率影响大，需要提取单一模态才可进行钢轨缺陷的检测。我国使用导波对钢轨缺陷检测的研究起步较晚，中国铁道科学研究院、哈尔滨工业大学、兰州交通
24、大学、西南交通大学、上海铁路局、兰州铁路局等单位也开展了钢轨导波中传播特性的研究。2011 年，南昌航空航天大学的卢超教授等申请获批了长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波装置及方法的专利；华南理工大学的韦岗等获批了一种分布式钢轨超声检测方法和系统的专利。浙江大学成功研制了中国首台磁致伸缩导波检测仪，并探索将其应用于钢轨缺陷检测。 综上所述，国内外学者对钢轨中超声导波传播特性及缺陷检测开展了大量卓有成效的研究工作。但由于钢轨属于异型截面波导，其中的超声导波传播特性极为复杂，目前尚无成熟的方案可以很好解决钢轨损伤检测，还有许多问题有待于深入开展研究。因此，对超声导波衰减系数的研究，有利于超声导波检测技
25、术的快速发展，对超声导波对钢轨服役状况实时监测有着重大的作用和意义。1.3 研究内容及章节安排本文主要从数学仿真和搭建实验系统实际实验两方面对超声导波在钢轨中传播时的衰减情况进行研究。本课题通过软件对超声导波在钢轨内部的传播机理进行仿真，得到衰减系数公式。仿真结果的可靠性需要得到实际实验的验证。通过在不同环境下钢轨中超声导波衰减的实际情况得到数据，以推算衰减系数公式。本文章节安排如下:第一章介绍本课题的研究背景及研究现状,并介绍本课题对于研究钢轨在线监测系统的实际指导意义。第二章介绍超声导波基本理论，包括频散曲线以及模态分析。第三章对超声导波在钢轨中传播的仿真方法进行研究,在钢轨中给出汉宁窗调制信号的激励，进行有限元仿真。得出的条件下的位移信号峰值，以取得 15 组相应的图形及数据。再对数据进行处理，得出衰减系数公式。第四章对超声导波在钢轨中传播的情况进行实际试验。在各种距离、温度和拉压应力条件下测得数据。同样对数据进行处理，并与实验结果进行了对比分析,证明了有
