结构中的导波由于具有传播距离远、可检测结构中任意部位缺陷、可实现结构的实时健康监测等优点而发展成为一种强有力的无损检测技术。结构中的损伤具有多尺度性质，按照可检测工程结构内部损伤的尺度区分，导波检测技术可分为线性导波技术和非线性导波技术。线性导波技术用来检测结构中的宏观损伤(开口裂纹、孔洞、层裂等)，非线性导波技术则对结构的材料性能退化及微损伤十分敏感，可有效评估结构中的早期微观损伤。

本文以实验技术为主要手段，结合数值模拟及理论分析，采用线性及非线性导波技术深入研究典型工程构件(梁、圆环及板)中的损伤检测问题。基于线性导波检测技...>> 详细

。基于线性导波检测技术.全面分析了复合材料悬臂梁及圆环构件中宏观裂纹的定量检测。应用非线性导波检测技术，对铝板的固有非线性进行表征，并实验验证Lamb波二次谐波的对称性。同时，本文深入探讨连续小波变换(CWT)在多模态弥散导波信号处理中的应用，重点考察两种常用连续小波(Gabor小波和Morlet小波)的时频分析特性及其在损伤检测中的不同性能。本文主要工作包含以下内容：

(1)理论分析Gabor小波和Morlet小波的时频分析特性。结果表明Gabor小波具有较高的时间分辨率，Morlet小波具有较高的频率分辨率。这为导波信号分析中如何选取连续小波母函数提供了理论指导。当时间分辨率是损伤检测需求中的关键因素时，应该选取Gabor小波对导波信号进行分析：当频率分辨率为影响损伤检测结果的主要因素时，则应选择Morlet小波进行分析。

(2)采用有限元分析及动态电测实验技术研究玻璃纤维增强复合材料悬臂梁中裂纹的定量检测。将Gabor小波和Morlet小波应用到梁中弯盐波的分析中，首先通过多频率小波变换确定对裂纹敏感的频率组分，通过该组分提取损伤特征(裂纹反射波)，然后根据ToF(time-of-flight)技术成功检测出裂纹的位置及相对大小。同时实验验证了具有较高时间分辨率的Gabor小波可以更加准确地确定ToF及裂纹位置。

(3)采用有限元分析、动态电测实验技术及压电传感器技术首次实现了圆环径向裂纹的定量检测，同时对导波模态选择及频率选取问题进行深入分析。通过Gabor小波提取合适频率的周向导波组分，识别损伤特征，成功确定了裂纹的位置及相对大小。通过研究不同频率导波组分在径向裂纹检测中的不同特点发现，低频波组分容易发生波峰重叠，对损伤不敏感；高频波组分对损伤敏感度高，但具有较多模态导致波场变得复杂，因此实际应用中应该选取弥散度低的中高频组分进行损伤检测。通过对比周向导波低阶模态在裂纹检测中的性能发现，第一模态(即类表面波模态)在薄壁圆环的径向裂纹检测中性能最优。

(4)首次实验验证了Lamb波二次谐波的对称性。通过可变角度超声斜探头激励铝板中的对称及非对称Lamb波模态，采用Morlet小波提取基频波及二次谐波的幅值，计算相对声学非线性因子。对比所取Lamb波模态在铝板固有材料非线性表征中的不同性能，验证只有对称的Lamb波二次谐波具有累积传播性质，为非线性Lamb波应用中的模态选取问题提供指导。

本文基于导波检测技术实现了典型工程构件的定量损伤检测，并对其中的关键问题(导波模态选取、频率选取、导波信号分析等)进行深入探讨。本文工作为工程实际中导波检测技术的应用提供了理论指导，对于有效评估结构中不同尺度的损伤进而保障结构安全具有重要意义。

关键词：弯曲波，周向导波，非线性Lamb波，连续小波变换，裂纹检测2100433B

轨道结构的完整状况决定了高速、大负荷列车的行驶安全性，而传统铁路的人工巡检和现代高铁的检测车定期巡检方式都不能满足实时监测轨道结构安全状况的需要。本项目开展基于高频导波的长距离、大范围结构无损检测技术的机理研究，探索包括钢轨、扣件和轨下支承在内的轨道结构在线结构健康检测新技术。主要研究内容包括：在波导结构中寻找长距离传播的“检测导波”；研究导波在典型不连续处的波动特性；实现波导结构不连续定位；辨识不连续的类型和尺寸；以及收集轨道振动能量用于在线监测传感器。研究结果表明国内普遍使用的UIC60钢轨中，存在20种能有效传播1 km以上的轨道导波，其中一种轨头对称纵波在44 kHz附近衰减率最低，为0.04 dB/m，对应有效传播距离在1.5 km左右，可以用于长距离检测轨头裂缝；基于导波在不连续处的波动特性，发明了反射系数结构不连续定位方法，该方法不受导波低频散性要求的限制，比目前普遍采用的脉冲-回波法具有更好的定位精度和更强的抗噪声能力，不但适于轨道裂缝、扣件和轨下弹性支撑等不连续的检测，而且适用于管道、线材等其它重要工程结构；建立了通用结构不连续的高阶动力学模型和参数识别方法，利用识别到的不连续高阶参数实现对不同裂缝和扣件等的识别；在实验室条件下，3 m长的UIC60钢轨上实现了1 cm裂缝的精确定位和识别；成功研制了一种基于压电换能材料的宽频振动能量收集装置，可利用轨道上的宽频振动能量对低功耗无线加速度传感器在线供能，为轨道在线监测提供了关键技术。在项目资助下发表学术论文14篇，包括高影响因子的SCI期刊源论文4篇，国内EI期刊源论文4篇，以及国内外会议论文6篇。申请发明专利3项，已授权1项。 2100433B

轨道结构中存在一些高频导波，它们具有传播距离远，受轨下弹性支承影响小的特点，符合长距离、大范围地识别轨道裂缝的基本要求，具备实现轨道裂缝在线检测的可能。本研究旨在通过建立轨道高频振动分析模型，对10～80 kHz范围内的轨道导波的波动特性进行分析，寻找出波动衰减小、传播距离远的导波模态；利用波动解析法研究这些导波在轨道裂缝处的反射、透射特性，分析这些导波的裂缝识别敏感性；探索在已知激励导波条件下，通过测取反射波或透射波信息，运用最小二乘迭代识别轨道裂缝的可行性，并用实验验证识别效果。本研究将为波动法用于轨道裂缝检测提供理论支撑和关键技术。研究过程中需要发展的高频振动分析方法和相关实验验证手段也可为其它复杂结构的高频波动研究提供参考。

土木工程专业学科工程力学重点名词概念

工程构件（泛指结构元件、机器的零件和部件等）在外力作用下丧失正常功能的现象称为失效或破坏；2100433B