一种基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法

本发明涉及无损检测，尤其是指出一种基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法。

背景技术：

1、钢绞线广泛应用于许多行业，特别是在土木工程结构中作为常用的受拉力构件，其应用领域包括：斜拉桥拉索、悬索桥的缆索、预应力混凝土中预应力钢筋等，以此来保证结构具有较高的机械强度和较长的使用寿命。然而，受张拉工艺、材料特性以及环境条件等因素的影响，钢绞线中会出现预应力损失，使得钢绞线的寿命很大程度衰减，甚至是断裂，从而导致了严重的灾害事故。因此，急需开发一种简便、高效、精确的钢绞线应力监测方法，能够掌握服役过程中的钢绞线应力状态，为逐步完善桥梁监测体系提供支撑依据。

2、超声导波具有沿传播路径衰减小、传播距离远、检测速度快等优点，但是由于钢绞线具有复杂的几何螺旋构造和其钢丝间独特的耦合接触影响，导致传播模态变得更加复杂。钢绞线作为受拉构件，其三阶声弹性常数在应力作用下会发生微小改变，以往的研究忽视了这一点导致研究结果与实验结果不符。

技术实现思路

1、本发明旨在提出一种解决上述任一问题的一种基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法。其基于超声导波声弹性理论和比例边界有限元法相结合，在不同的轴力作用下，利用声弹性效应随频率与模态的变化而变化，根据其不同频率下的波结构和模态，进而挑选出最适合应力检测的超声导波模态与激励频率,最终根据群速度变化量和声弹性常数关系可得到拟合曲线，最终实现对钢绞线轴向应力的监测。

2、具体而言，本发明提供一种基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，所述方法包括如下步骤：

3、s1、基于钢绞线的螺旋结构，建立扭转坐标系；计算直钢丝的相速度和能量速度曲线分析其频散特性，确定监测模态和激励频率范围；

4、s2、提取并分析直钢丝的纵向模态和弯曲模态的波结构；

5、s3、计算直钢丝在不同应力作用下的频率-应力-能量速度曲线；

6、s4、计算直钢丝在应力作用下的能量速度敏感曲线；

7、s5、结合s1、s2、s3、s4的结果，确定适宜模态和相应的激励频率作为钢绞线轴向应力监测的监测模态和激励频率；

8、s6、根据钢绞线的结构和最优模态的振型图设计导波传感器的安置方式；

9、s7、通过对传感器导波信号的接收处理，获得导波模态的能量速度和能量速度变化趋势、频率-应力-能量速度曲线，根据最适宜激励频率下最适宜监测模态能量速度变化量和声弹性常数关系可得到拟合曲线，最终实现对钢绞线轴向应力的监测。

10、在一个实施方案中，所述扭转坐标系的公式如下：

11、φ＝r(s)+xn(s)+yb(s)

12、其中，φ是故笛卡尔坐标系下的任意向量，其在故笛卡尔坐标系下的表达为φ＝xex+yey+zez；

13、

14、

15、

16、式中：s为外

17、在一个实施方案中，通过求解钢丝的相速度和能量速度频散曲线，并分析频散性，进而确定监测模态和激励频率范围。

18、在一个实施方案中，所述提取钢丝的纵向模态和弯曲模态的波结构为通过基于声弹性比例边界有限元法提取得到。

19、在一个实施方案中，所述计算钢丝在不同应力作用下的频率-应力-能量速度曲线为基于声弹性比例边界有限元法得到。

20、在一个实施方案中，所述计算钢丝在应力作用下的能量速度敏感曲线方法为基于声弹性比例边界有限元法钢丝在0.2uts(uts为极限拉应力)作用下的能量速度敏感曲线。

21、本发明的方案具有以下效果。

22、1)本发明能够对服役的钢绞线进行无损监测，操作简单，精确度高。

23、2)本发明考虑了应力作用下会改变材料的三阶弹性常数，选取的激励频率和检测模态，灵敏度较高，能够实现应力的检测精度较高。

技术特征：

1.一种基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，其特征在于：通过求解钢丝的相速度和能量速度频散曲线，并分析频散性，进而确定监测模态和激励频率范围。

4.根据权利要求1所述的基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，其特征在于：所述提取直钢丝的纵向模态和弯曲模态的波结构为通过基于声弹性比例边界有限元法提取得到。

5.根据权利要求1所述的基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，其特征在于：所述计算直钢丝在不同应力作用下的频率-应力-能量速度曲线为基于声弹性比例边界有限元法得到。

6.根据权利要求1所述的基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，其特征在于：所述计算直钢丝在应力作用下的能量速度敏感曲线方法为基于声弹性比例边界有限元法钢丝在0.2uts(uts为极限拉应力)作用下纵向模态l(0,1)的能量速敏感曲线。

7.根据权利要求1所述的基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，其特征在于：所述实现钢绞线轴力监测的方法为基于声弹性比例边界有限元法计算钢绞线的最适宜监测模态在有无应力时的能量速度变化值，根据声弹性常数和能量速度变化值的函数关系可得到拟合曲线，最终实现对钢绞线轴向应力监测。

技术总结
本发明涉一种基于超声导波特性的钢绞线轴向应力监测方法，包括如下步骤：S1、基于钢绞线的螺旋结构，建立扭转坐标系；计算直钢丝的相速度和能量速度曲线分析其频散特性，确定监测模态和激励频率范围；S2、提取并分析直钢丝的纵向模态和弯曲模态的波结构；S3、计算直钢丝在不同应力作用下的频率‑应力‑能量速度曲线；S4、计算直钢丝在应力作用下的能量速度敏感曲线；S5、结合S1、S2、S3、S4的结果，确定适宜模态和相应的激励频率作为钢绞线轴向应力监测的监测模态和激励频率；S6、根据钢绞线的结构和最优模态的振型图设计导波传感器的安置方式；S7、通过对传感器导波信号的接收处理，获得导波模态的能量速度和能量速度变化趋势、频率等关系，根据最适宜激励频率下最适宜监测模态能量速度变化量和声弹性常数关系可得到拟合曲线，最终实现对钢绞线轴向应力的监测。

技术研发人员：陈华鹏,李浩华,叶玲,张国印
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16