高速鐵路路基活動缺陷檢測與監(jiān)測方法研究項目摘要

高速鐵路的舒適性和安全性很大程度上取決于路基的平順度和穩(wěn)定性，而鋼筋混凝土路基是一種非均勻的缺陷材料結(jié)構(gòu)，在外界擾動下，隱性缺陷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性缺陷，缺陷擴展到一定程度將影響高速鐵路安全運行。目前還沒有現(xiàn)實可行的在役高速鐵路路基缺陷檢測監(jiān)測方法。本項目擬采用試驗、理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的手段，通過對含缺陷混凝土的起裂機理、擴展準則以及裂縫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定擴展判據(jù)進行深入的系統(tǒng)研究，探索裂紋起裂時的力電磁效應(yīng)，裂紋穩(wěn)定到非穩(wěn)定擴展瞬態(tài)的力電磁效應(yīng)，以及斷裂全過程的跨尺度計算模型；發(fā)展針對缺陷混凝土結(jié)構(gòu)非接觸動態(tài)監(jiān)測理論，并形成一套基于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷擴展穩(wěn)定識別的整體安全穩(wěn)定評價準則；研制高信噪比和可靠性的高速鐵路混凝土路基活動缺陷檢測監(jiān)測儀器。本研究屬交叉學科，研究成果對于促進我國高速鐵路路基安全監(jiān)測、混凝土力學學科的發(fā)展具有重要的科學和工程意義。

高速鐵路的舒適性和安全性很大程度上取決于路基的平順度和穩(wěn)定性，而鋼筋混凝土路基是一種非均勻的缺陷材料結(jié)構(gòu)，在外界擾動下，隱形缺陷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性缺陷，缺陷擴展到一定程度將影響高速鐵路的安全運行。目前還沒有現(xiàn)實可行的在役高速鐵路路基缺陷檢測監(jiān)測方法。本項目通過試驗、理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的手段，對含缺陷混凝土的起裂機理、擴展準則以及裂縫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定擴展判據(jù)進行深入的系統(tǒng)研究，探索裂紋起裂時的力電磁效應(yīng)，裂紋穩(wěn)定到非穩(wěn)定擴展瞬態(tài)的力電磁效應(yīng)，以及斷裂全過程的跨尺度計算模型，發(fā)展針對缺陷混凝土結(jié)構(gòu)非接觸動態(tài)監(jiān)測理論，并形成一套基于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷擴展穩(wěn)定識別的整體安全穩(wěn)定評價準則。研制高信噪比和可靠性的高速鐵路混凝土路基活動缺陷檢測監(jiān)測儀器。 通過深入的理論分析，提出了應(yīng)力激發(fā)電偶極子模型。此模型進一步闡釋了缺陷擴展過程中應(yīng)力變化與電磁輻射之間的聯(lián)系，推導出了混凝土材料的力學屬性與電磁輻射的電場強度、磁場強度以及輻射頻率之間的關(guān)系，為后期處理電磁輻射信號提供了理論支持。應(yīng)力激發(fā)電偶極子模型是基于斷裂力學和電動力學理論建立的，該模型將裂紋尖端處所受的應(yīng)力變化情況與電磁輻射的頻率和幅值有效的聯(lián)系起來，推導出了裂紋尖端應(yīng)力的變化是導致電磁輻射的最主要原因，且電磁輻射的能量來自于裂紋尖端應(yīng)力變化產(chǎn)生的應(yīng)變能。其次，通過分析裂紋尖端的位移場，建立了破裂過程的力電耦合模型，該模型將裂紋尖端的張開位移量與電磁輻射的幅值建立了聯(lián)系，進而得出了通過電磁輻射的幅值大小判斷破裂情況的評估方法。最后，采用實驗研究的方法，通過在電磁屏蔽箱中的自膨脹破裂實驗，得到了無外界電磁波信號干擾的混凝土破裂過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號?；趹?yīng)力激發(fā)電偶極子模型和力電耦合模型對所測得信號的分析，可初步判斷混凝土試樣的裂紋產(chǎn)生和擴展的情況。解決了如何判斷電磁輻射信號與混凝土開裂擴展過程之間的關(guān)系問題。 本研究屬于交叉學科，研究成果對于促進我國高速鐵路路基安全監(jiān)測，混凝土力學學科的發(fā)展具有重要的科學和工程意義。 2100433B

主要研究材料內(nèi)部應(yīng)力、疲勞所造成的活動缺陷（包括疲勞裂紋、蠕變等）對鐵磁性材料的微觀作用機制，這種作用表現(xiàn)為材料宏觀磁特性的變化，進而在材料表面產(chǎn)生漏磁場，建立活動缺陷－漏磁場關(guān)系模型，通過分析材料表面漏磁場特征可判斷是否存在活動缺陷、確定材料的疲勞狀態(tài)和剩余壽命，同常規(guī)漏磁檢測相比，無需外界人工磁化場，避免了漏磁檢測的缺點，同時，也避免了磁記憶檢測只能定性判斷應(yīng)力集中位置，而無法發(fā)現(xiàn)工程中有重要意義的疲勞裂紋和無法判斷材料疲勞狀態(tài)的問題?；顒尤毕輽z測是一種全新的檢測概念，用于檢測和監(jiān)測在役設(shè)備在使用過程中產(chǎn)生并在使用過程中繼續(xù)擴展的危險性缺陷，拓展了無損檢測的內(nèi)涵，使漏磁場檢測從單純的缺陷檢測向早期狀態(tài)診斷方向發(fā)展，在壓力容器、石油、鐵路、化工、電力、礦山等行業(yè)有迫切的需求和廣闊的應(yīng)用前景。 2100433B

一些關(guān)鍵部位的焊接結(jié)構(gòu)常處于高溫、高壓或者高載荷等極端環(huán)境，因此焊接接頭的可靠性成為確保其安全運行的重要環(huán)節(jié)。作為質(zhì)量控制方法之一的超聲檢測技術(shù)，在焊接結(jié)構(gòu)的無損檢測中占有重要地位，在一定程度上替代了射線檢測。然而，對于大厚度焊接結(jié)構(gòu)的超聲檢測，受信號傳播距離以及焊縫組織的影響，使得對缺陷定位、定量識別的精度不高，同時對小缺陷的檢出能力較差，不利于焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量評價。本項目通過搭建的實驗平臺，研究了基于線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)技術(shù)的超聲成像檢測方法以及探討了提高焊縫缺陷識別精度的技術(shù)途徑。 根據(jù)線性調(diào)頻信號的特點及脈沖壓縮技術(shù)的原理，建立了滿足不同檢測方法和需求的線性調(diào)頻激勵檢測系統(tǒng)，并開發(fā)了具有檢測信號實時接收與存儲的自動成像檢測程序，可對多種掃描模式的檢測信號進行離線批處理并形成掃描圖像。 討論了LFM檢測中影響檢測結(jié)果的主要因素，包含載波頻率fc、脈沖寬度T、有效帶寬B。針對不同頻率的超聲探頭，采用超聲透射方法進行了調(diào)頻參數(shù)的測試，揭示了上述調(diào)頻參數(shù)的選擇方法。通過2mm小缺陷的線性調(diào)頻激勵TOFD檢測實驗，驗證了建立的LFM檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度和調(diào)頻參數(shù)選擇的合理性。 研究了大厚度試件的高頻超聲檢測，采用10MHz的高頻探頭對60mm厚試件的近表面和底面缺陷進行了LFM激勵的TOFD檢測。研究表明，LFM激勵解決了信號的穿透力與分辨率之間的矛盾，突破了傳統(tǒng)超聲檢測中對高頻傳感器使用范圍的限制，有效地減小表面盲區(qū)，使缺陷定位平均誤差減小到0.36mm。 討論了LFM激勵的TOFD成像檢測及圖像優(yōu)化方法，采用信號互相關(guān)方法及峰值搜索方法對LFM-TOFD圖像進行預處理，有效地消除檢測圖像的畸變，提高了圖像的連續(xù)性及可讀性。針對對接焊縫中的實際缺陷進行了LFM-TOFD成像檢測，實現(xiàn)了高度在1.4mm以上缺陷的上、下端衍射信號的識別。結(jié)果表明LFM-TOFD方法與常規(guī)TOFD方法相比，使檢測信噪比提高了近6dB，時間分辨力平均提高了30%，定量測量誤差降低了80%。 針對線性調(diào)頻信號檢測中的匹配濾波輸出的旁瓣問題，對其進行了基于窗函數(shù)法的幅度調(diào)制波形設(shè)計，研究表明，Hamming窗是一種合適的幅度調(diào)制設(shè)計方法，其設(shè)計的波形在匹配濾波輸出的主瓣寬度、主旁瓣比、主瓣峰值對比中具有較好的綜合效果，旁瓣抑制達27.3dB 2100433B