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一种无砟轨道结构层间伤损的检测方法.pdf

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一种 轨道 结构 伤损 检测 方法
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摘要
申请专利号:

CN201410289679.0

申请日:

2014.06.25

公开号:

CN104142381A

公开日:

2014.11.12

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 33/00申请日:20140625|||公开
IPC分类号: G01N33/00; G01N33/38 主分类号: G01N33/00
申请人: 西南交通大学
发明人: 王平; 陈嵘; 肖杰灵; 韦凯; 赵才友; 胡志鹏; 徐井芒
地址: 610031 四川省成都市二环路北一段111号西南交通大学科技处
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 成都信博专利代理有限责任公司 51200 代理人: 张澎
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410289679.0

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.08.17|||2014.12.10|||2014.11.12

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种无砟轨道层间伤损的无损检测方法,采用轨道板高斯曲率指标来识别无砟轨道层间单处和多处脱空、离缝伤损,其特征在于,包括如下步骤:在给定边界条件,通过模态分析求出轨道板在任一阶模态下的位移模态值;利用位移模态进一步求解轨道板的高斯曲率以反映轨道板横向和纵向的曲率模态,以确定伤损的存在。发明利用模态分析理论,通过轨道板的前三阶高斯曲率指标即可识别伤损有无及伤损位置,尤其以第一阶高斯曲率指标最为明显。本发明方法是一种无损检测方法,试验操作简便,并且不受轨道板内?#32440;?#30340;影响,检测结果直观明了,不仅能识别伤损的有无,而?#19968;?#33021;准确的定位伤损的位置。

权利要求书

权利要求书
1.  一种无砟轨道层间伤损的无损检测方法,采用轨道板高斯曲率指标来识别无砟轨道层间单处和多处脱空、离缝伤损,其特征在于,包括如下步骤:在给定边界条件,通过模态分析求出轨道板在任一阶模态下的位移模态值;利用位移模态进一步求解轨道板的高斯曲率以反映轨道板横向和纵向的曲率模态,以确定伤损的存在;
所述利用位移模态的确定过程为:在给定边界条件下,通过以下二式联立求解:
∂4w1(x,y,t)∂x4+2∂4w1(x,y,t)∂x2∂y2+∂4w1(x,y,t)∂y4+ρshsDs∂2w1(x,y,t)∂t2=1Ds[Σi=1NFFsVi(t)δ(x-xFi)δ(y-yFi)]]]>  式(1)
其中振型微分方程为:▽4W-α4W=0   式(2)
解出振型函数W和相应的频率,利用初始条件求得轨道板在任一阶模态下的位移模态;式(1)中w1(x,y,t)为轨道板垂向挠度;hs为轨道板厚度;xFi,yFi为轨道板下第i个支撑点沿长度方向和宽度方向的坐标;E为轨道板弹性模量;NF是轨道板下离散支?#26800;?#25968;;FsVi是轨道板下第i个支?#26800;?#30340;垂向反力;ρs为轨道板密度;Ds为轨道板弯曲刚度;
所述高斯曲率反映轨道板横向和纵向的曲率模态的过程包括:通过有限元方法计算不同CA砂浆脱空和轨道板离缝位置;在利用高斯曲率指标识别CA砂浆脱空和轨道板离缝伤损时,有损伤区域处高斯曲率存在明显尖峰,采用前三阶高斯曲率模态即可准确识别伤损有无及伤损的具体位置。

说明书

说明书一种无砟轨道结构层间伤损的检测方法
技术领域:
本发明属铁道路轨技术领域,尤其涉及高速铁路无砟轨道伤损检测领域。 
背景技术:
单元板式、纵连板式、双块式无砟轨道结构目前是我国高速铁路上的主要无砟轨道结构型式,运营里程已有上万公里。无砟轨道具有较高的稳定性和耐久性,建成后很少需要维护。但是,无砟轨道作为行车的基础且一?#21271;?#38706;在复杂的大气环?#25345;校?#20197;?#32440;?#28151;凝土为主的无砟轨道承受着水、温度和列车荷载持续不断的考验,并伴随有施工质量、技术缺陷等多种问题,产生各种病害是难以避免的,尤其是有CA砂浆层的轨道结构,砂浆损坏很严重,因此很有必要探索适合无砟轨道伤损检测的方法。目前,针对钢轨、道岔的伤损检测设备较多,而用于轨下结构的伤损检测设备几乎没有。无损检测方面探底雷达多用于公路等伤损检测,但由于电磁波?#36164;芨纸?#30340;影响,不适宜于无砟轨道的伤损检测。 
发明内容:
基于无砟轨道伤损无损检测方法和设备的不足,以及探地雷达在无砟轨道伤损检测上的缺点,本发明的目的是提供一种无砟轨道层间伤损的无损检测方法。识别无砟轨道层间CA砂浆脱空和层间离缝伤损。该无损检测方法基于模态分析理论,用轨道板的高斯曲率指标去识别和定位层间伤损位置。 
本发明的目的是通过如下的手段实现的。 
一种无砟轨道层间伤损的无损检测方法,采用轨道板高斯曲率指标来识 别无砟轨道层间单处和多处脱空、离缝伤损,包括如下步骤:在给定边界条件,通过模态分析求出轨道板在任一阶模态下的位移模态值;利用位移模态进一步求解轨道板的高斯曲率以反映轨道板横向和纵向的曲率模态,以确定伤损的存在; 
所述利用位移模态的确定过程为:在给定边界条件下,通过以下二式联立求解: 
∂4w1(x,y,t)∂x4+2∂4w1(x,y,t)∂x2∂y2+∂4w1(x,y,t)∂y4+ρshsDs∂2w1(x,y,t)∂t2=1Ds[Σi=1NFFsVi(t)δ(x-xFi)δ(y-yFi)]]]>   式(1) 
其中振型微分方程为:▽4W-α4W=0   式(2) 
解出振型函数W和相应的频率,利用初始条件求得轨道板在任一阶模态下的位移模态;式(1)中w1(x,y,t)为轨道板垂向挠度;hs为轨道板厚度;xFi,yFi为轨道板下第i个支撑点沿长度方向和宽度方向的坐标;E为轨道板弹性模量;NF是轨道板下离散支?#26800;?#25968;;FsVi是轨道板下第i个支?#26800;?#30340;垂向反力;ρs为轨道板密度;Ds为轨道板弯曲刚度 
所述高斯曲率反映轨道板横向和纵向的曲率模态的过程包括:通过有限元方法计算不同CA砂浆脱空和轨道板离缝位置;在利用高斯曲率指标识别CA砂浆脱空和轨道板离缝伤损时,有损伤区域处高斯曲率存在明显尖峰,采用前三阶高斯曲率模态即可准确识别伤损有无及伤损的具体位置。 
由模态分析理论可知,伴随系?#31243;?#24615;的改变必?#22351;?#33268;模态参数的改变,伤损的存在会使局部刚度发生变化,从而引起该区域的曲率发生变化。在给定边界条件后可以通过模态分析求出轨道板在任一阶模态下的位移模态值,利用位移模态进一步求解轨道板的曲率模态。由于轨道板涉及两个方向的模态,采用 高斯曲?#39318;?#21512;反映轨道板横向和纵向的曲率模态。 
本发明利用模态分析理论,通过轨道板的前三阶高斯曲率指标即可识别伤损有无及伤损位置,尤其以第一阶高斯曲率指标最为明显。本发明方法是一种无损检测方法,试验操作简便,并且不受轨道板内?#32440;?#30340;影响,检测结果直观明了,不仅能识别伤损的有无,而?#19968;?#33021;准确的定位伤损的位置。 
附图说明:
图1工况一无损伤前三节高斯曲率,(a)图为一阶,(b)图为二阶,(c)图为三阶高斯曲率结果。 
图2工况二中一处CA砂浆伤损或一处轨道板离缝伤损前三阶高斯曲率结果。 
图3工况三种一处伤损第一阶高斯曲率 
图4工况四种一处伤损第一阶高斯曲率 
图5工况五种一处伤损第一阶高斯曲率 
图6工况六种CA砂浆边缘伤损第一阶高斯曲率 
图7无砟轨道照片(框内区域为伤损区域) 
图8无砟轨道检测结果-轨道板一阶高斯曲率 
图9不同CA砂浆脱空伤损位置设置情况。 
具体实施方式:
实现本发明目的采用的理论是: 
(1)轨道板振动理论 
由于轨道板的厚度比其长度和宽度小很多,轨道板在垂向可视为弹性薄板,根据弹性薄板理论,轨道板的垂向无阻尼?#26434;?#25391;动方程可写为: 
∂4w1(x,y,t)∂x4+2∂4w1(x,y,t)∂x2∂y2+∂4w1(x,y,t)∂y4+ρshsDs∂2w1(x,y,t)∂t2=1Ds[Σi=1NFFsVi(t)δ(x-xFi)δ(y-yFi)]]]>   式(1) 
其中振型微分方程为:▽4W-α4W=0   式(2) 
(2)高斯曲率 
在计算轨道板曲率模态时,?#23896;?#21450;x,y两个方向的曲率模态值,由微分几何知识可知,高斯曲率可以综合反映板状结构两个方向上的曲?#30465;?#35774;振型曲面[x,y,z(x,y)]上任一点的两个主曲率为k1、k2,则他们的乘积称为曲面在这一点的高斯曲率,通常以K表示。即 
K=k1k2=LN-M2EG-F2,]]>其中L=u1+p2+q2;]]>M=s1+p2+q2;]]>N=t1+p2+q2;]]>
由于轨道板等间距划分,所以利用差分法分别计算p,q,u,s,t的值。 
p=(∂z∂x)ij=zi,j+1-zi,j-12Δx;]]>q=(∂z∂y)ij=zi+1,j-zi-1,j2Δy;]]>u=(∂2z∂x2)ij=zi,j+1-2zi,j+zi,j-1(Δx)2;]]>
s=(∂2z∂x∂y)ij=zi+1,j+1-zi+1,j-1+zi-1,j-1-zi-1,j+12Δx;]]>t=(∂2z∂y2)ij=zi,j+1-2zi,j+zi-1,j(Δy)2]]>
通过有限元方法计算不同CA砂浆脱空和轨道板离缝位置,得出在利用高斯曲率指标识别CA砂浆脱空和轨道板离缝伤损时,有损伤区域处高斯曲率存在明显尖峰,并且只需前三阶高斯曲率模态即可准确识别伤损有无及伤损的具体位置如附图1,尤其是一阶高斯曲?#39318;?#20026;明显,因此一般采用一阶高斯曲率来识别不同位置伤损的位置,如附图2-图6所示。 
本发明在进行无砟轨道结构层间伤损检测时,在轨道板上布置一定间距的加速度传感器,采用多点激励多点采集的方式采集轨道板表面加速度,再进行模态分析,求取轨道板一阶高斯曲率,识别和定位伤损位置。通过对轨道板模型(附图7)进行模态测试和分析,其一阶高斯曲率结果如附图8所示。检测结果与预设伤损相一致,检测结果令人满意。 

关于本文
本文标题:一种无砟轨道结构层间伤损的检测方法.pdf
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