探究导波基于半剖析有限元模型轨道导动特性结论

论文导读：Method,简称SAFEM),将波动剖析论述与有限元数值计算相结合,以而实现了对于复杂截面条件下无限长结构的波动特性的数值计算分析。本论文首先详细阐述了半剖析有限元法的基本论述,从典型的工程结构——梁为例,简介了半剖析有限元法的建模办法,并探讨了截面网格划分对计算结果的影响,进而使用欧拉-伯努利梁(Euler-BernoulpBea
摘要：导波法是目前用于轨道类结构无损探测的最佳办法之一。为了实现导波法技术用于长距离损伤检测,所选择的导波应具有波动衰减率低的特征。由于波导结构中一般有着众多类型的导波模态,能够准确预测各类导波模态的频率、波长、群速度、衰减率等模态特性和波动特性是十分重要的。对于结构较为简单的波导结构(如管道、板、梁等),由于有着的导波模态相对较少,其波动特性一般可采取剖析法或有限元法来得出。然而,对于截面形状复杂的轨道来说,无法对于其复杂的导波模态建立论述方程,同时,采取有限元法也仅适合于较低频率范围和较短结构,并且难从实现不同模态的导波间的分离。由此,采取传统有限元法和剖析办法探讨轨道导动特性都具有难从克服的运用缺陷。本项探讨中,使用“半剖析有限元法”(Semi-analytical Finite Element Method,简称SAFEM),将波动剖析论述与有限元数值计算相结合,以而实现了对于复杂截面条件下无限长结构的波动特性的数值计算分析。本论文首先详细阐述了半剖析有限元法的基本论述,从典型的工程结构——梁为例,简介了半剖析有限元法的建模办法,并探讨了截面网格划分对计算结果的影响,进而使用欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulp Beam)、铁木辛柯梁(Timoshenko Beam)论述公式,从及梁的有限元模型,通过计算梁弯曲模态导波的波数,对于SAFEM模型的准确性进行了数例验证；并通过长度为6.1m的梁的弯曲模态导数的实验测试,对于SAFEM分析模型的计算准确性进行了实验验证。在此基础上,从我国铁路铺设的UIC60型(即60kg/m型)钢轨和轨下胶垫为探讨对象,采取SAFEM法建立轨道的高频数值模型,并使用传统有限元法验证了该轨道高频数值模型的准确性和有效性。从该轨道模型为基础,进而探讨了轨下胶垫对轨道导波动特性的影响。然后,使用该轨道高频数值模型,在0-100kHz的频率范围内对我国常用轨道的导波频散特性、相速度、群速度等波动特性进行了预测分析。然后在实验室条件下,分别测得了长度为1m的钢轨和长度为6m的轨道的等效阻尼损耗因子。最后,结合使用轨道高频数值模型求得的轨道导波的群速度和通过实验测得的轨道阻尼损耗因子计算出了轨道导波在0-100kHz频率范围内的衰减率,通过衰减曲线发现UIC60轨道中衰减率低、能够有效传播1km从上、适合导波法长距离检测的导波有19种。其中一种对称纵波在44kHz附近其衰减率为0.045dB/m,对应最大有效传播距离约为1.3km。使用轨道高频数值模型探讨轨下胶垫对轨道导动特性影响的结果表明：影响主要表现在20kHz从下的低频区域,并且随着胶垫刚度的增大,轨道同一种方式的导波在同一频率所对应的波数逐渐增大。通过比较实验测得的钢轨和轨道的阻尼损耗因子,亦可发现轨垫对轨道阻尼损耗因子的影响主要表现在较低频段,在较高频段几乎没有影响。实验结果也以侧面反映了轨垫对轨道导动特性的影响主要表现在较低频率区域。本论文应用的半剖析有限元法探讨轨道波动特性和筛选导波的办法不仅适用于轨道,而且适用于管道、电缆、梁等其他波导结构。由于实验条件的限制,目前无法激励出单一方式的轨道导波,通过实验验证轨道高频数值模型的准确性,由此对轨道导波的激励和接收模式的深入探讨是今后需要进一步开展的工作。关键词：轨道论文半剖析有限元法论文导波论文波动特性论文频散曲线论文衰减特性论文
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ABSTRACT10-12
第1章 绪论12-16

1.1 探讨背景12-13

1.2 国内外探讨近况13-15

1.3 本论文的探讨内容15-16

第2章 半剖析有限元法16-28

2.1 半剖析有限元论述16-17

2.2 梁的半剖析有限元模型17-20

2.3 梁的弯曲振动论述模型20-21

2.4 有限元模型验证21-24

2.5 梁弯曲振动波数的测量实验24-26

2.6 本章小结26-28

第3章 轨道高频分析模型的建立28-44

3.1 有限元模型28-30

3.2 半剖析有限元模型30-36

3.

2.1 钢轨的半剖析有限元模型30-论文导读：

35 3.

2.2 钢轨和轨下胶垫的半剖析有限元模型35-36

3.3 模型验证36-39

3.4 轨下胶垫对轨道波动特性的影响39-42

3.5 本章小结42-44

第4章 轨道导动特性探讨44-52

4.1 导波的基本概念44-45

4.2 频散特性45-47

4.3 群速度和相速度47-50

4.4 衰减特性50-51

4.5 本章小结51-52

第5章 轨道实验和衰减率52-64

5.1 阻尼损耗因子实验52-61

5.

1.1 1m长钢轨阻尼损耗因子实验53-57

5.

1.2 6m长轨道阻尼损耗因子实验57-61

5.2 轨道衰减曲线61-62

5.3 本章小结62-64

第6章 总结与展望64-66

6.1 探讨总结64-65

6.2 不足与展望65-66

附录A 符号说明66-67
附录B 轨道模型验证振型图67-70
附录C 梁弯曲振动论述70-78

1. 欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulp Beam)70-73

2. 铁木辛柯梁(Timoshenko Beam)73-78

参考文献78-82
致谢82-84
攻读硕士学位论文期间发表的论文84-85
学位论文评阅及答辩状况表85