利用压电超声导波时间反转法的管道结构裂纹监测研究

本书对压电超声导波时间反转法在管道结构健康监测中的应用进行了研究，在国内首次对充液埋地管道结构的裂纹监测进行了理论和试验研究，具有很高的创新性和试验指导价值

本书为对管道无损检测领域一些前瞻性研究的探讨。本书在国内首次对崇业埋地管道结构的裂纹监测进行了理论和试验研究，开发了一套快捷准确的试验系统，对准确判断管道结构完整性、提高其监测水平具有重要的现实意义。本书的主要内容包括：推导出管道超声导波的时间反转聚焦基本公式；对窄带激励信号激励下的超声导波信号聚焦进行了理论分析和试验研究；对超声导波不同模态下空管中各种裂纹的敏感性进行了理论分析和试验验证；根据三维弹性波动理论，通过在土中波的标量势中引入第二类Hankel函数，对管道-土体系中的导波传播的波动方程进行了求解。 本书可供结构、机械、石油、市政等结构健康相关领域的研究人员、技术人员以及从事相关研究的在校师生参考使用。

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第1章 绪论 001 1.1 研究背景及意义 002 1.2 研究历史和现状 004 1.2.1 国外研究历史和现状 004 1.2.2  国内研究历史和现状 007 1.3 基于压电材料的结构健康监测 009 1.3.1  基于压电材料的被动监测 009 1.3.2  基于压电材料的主动监测 010 1.4 主要研究内容及特色 011 1.5 本章小结 013 第2章 压电效应与超声导波的基本理论 014 2.1 压电材料基本性能 015 2.1.1  压电材料与压电效应 015 2.1.2  压电作动器与传感器 017 2.2 超声导波的基本概念与分类 018 2.3 群速度和相速度 019 2.4 导波的多模态和频散现象 021 2.5 周向导波 023 2.6 柱面导波 026 2.7 空心圆管中导波模态分析 032 2.7.1  L模态 033 2.7.2 T模态 035 2.7.3  F模态 037 2.8 本章小结 040 第3章 压电超声导波时间反转基本理论及试验验证 041 3.1 概述 042 3.2 时间反转产生的技术背景 043 3.2.1  时间反转镜技术在超声领域中的发展 043 3.2.2  固体中的时间反转技术及研究现状 044 3.3 超声导波时间反转聚焦分析 045 3.3.1  单个作动器/传感器的超声导波时间反转过程 045 3.3.2  多个传感器的超声导波时间反转聚焦过程 047 3.4 时间反转法在板中试验验证 049 3.4.1  单个压电作动器/传感器对超声导波的时间反转聚焦试验及结果 051 3.4.2  多个压电作动器/传感器对超声导波的时反聚焦试验及结果 053 3.5 本章小结 056 第4章 管道结构压电超声导波裂纹监测数值模拟 057 4.1 有限元数值模型 058 4.1.1  单元选取 058 4.1.2  模型建立 059 4.2 超声导波管道裂纹监测中激励频率和模态选择 060 4.2.1  激励信号选取 061 4.2.2  激励信号周期 062 4.2.3  截止频率 064 4.3 时间反转法的基本流程 065 4.4 全信号取点率对监测能力的影响 066 4.5 模拟及结果分析 069 4.5.1  周向裂纹 069 4.5.2  轴向裂纹 074 4.5.3  斜向裂纹 079 4.6 本章小结 084 第5章 空心直管结构压电超声导波裂纹监测试验 086 5.1 管道结构超声导波裂纹监测理论 087 5.2 试验目标与试验系统 088 5.2.1  试验目标 088 5.2.2  试验系统 088 5.3 无缺陷管道超声导波监测试验 089 5.4 时间反转导波监测试验 093 5.4.1  时间反转导波监测试验过程 093 5.4.2  含周向裂纹管道结构损伤监测 094 5.4.3  含轴向裂纹管道结构损伤监测 098 5.4.4  含斜向裂纹管道结构损伤监测 103 5.5 本章小结 108 第6章 充液埋地管道结构超声导波理论研究与裂纹监测试验 109 6.1 充液埋地管道结构超声导波监测理论 110 6.2 试验系统 115 6.3 基于纵向导波的充液埋地直管斜裂纹监测 116 6.3.1  纵向导波的频散曲线和激励频率的选择 116 6.3.2  试验结果及分析 119 6.3.3  含不同角度斜裂纹管道结构损伤时间反转监测 120 6.4 基于扭转模态导波的埋地充液直管轴向裂纹监测 125 6.4.1  扭转导波激励频率的选择 125 6.4.2  试验系统 126 6.4.3  试验结果及分析 128 6.4.4  时间反转结果及分析 130 6.5 基于纵向导波的弯管焊缝监测 132 6.5.1  理论分析 132 6.5.2  试验系统 134 6.5.3  试验结果与分析 135 6.6 本章小结 139 第7章 结论与展望 140 7.1 结论 141 7.2 创新点摘要 143 7.3 展望 144 主要符号表 146 参考文献 148