本書圍繞超聲導(dǎo)波在道岔尖軌缺陷檢測中的應(yīng)用，系統(tǒng)闡述了導(dǎo)波傳播機理、仿真分析、檢測系統(tǒng)設(shè)計、信號處理及智能識別方法，構(gòu)建了一套完整的道岔尖軌導(dǎo)波檢測技術(shù)體系。全書共8章。第1章重點闡述了超聲導(dǎo)波檢測的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀，第2章分析了道岔尖軌中超聲導(dǎo)波的基本特性，第3章研究了道岔尖軌導(dǎo)波有限元仿真技術(shù)，第4章設(shè)計了尖軌導(dǎo)波檢測系統(tǒng)，第5章提出了基于小波基線的道岔尖軌缺陷檢測方法，第6章研究了基于機器學(xué)習(xí)的智能檢測技術(shù)，第7章探討了基于主導(dǎo)模態(tài)的道岔尖軌缺陷檢測實現(xiàn)方法，第8章通過實驗測試和現(xiàn)場測試驗證了道岔尖軌檢測系統(tǒng)性能。本書適合鐵路工程、無損檢測、信號處理及人工智能等領(lǐng)域的研究人員、工程技術(shù)人員和高校師生參考使用。
許西寧，長期從事軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施無損檢測技術(shù)的科研與教學(xué)工作。榮獲2013年、2019年中國鐵道學(xué)會鐵道科學(xué)技術(shù)一等獎，2022年北京市科技進(jìn)步二等獎。主持和參加多項國家級、省部級、橫向科研項目。以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI、EI等期刊論文20余篇，撰寫專著1部，獲批國家發(fā)明專利5項。目前從事本科《測控系統(tǒng)設(shè)計》、研究生《現(xiàn)代測試技術(shù)》的教學(xué)工作�！稖y控系統(tǒng)設(shè)計》課程獲評校級一流課程、北京市優(yōu)質(zhì)課程、國家級一流本科課程。指導(dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計連續(xù)3年榮獲北京市普通高等學(xué)校優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)科競賽獲全國二等獎1項、三等獎1項、省部級一等獎7項、二等獎2項。榮獲北京交通大學(xué)"三育人”先進(jìn)個人、優(yōu)秀實踐指導(dǎo)教師、2022屆本科畢業(yè)生"我最敬愛的老師”。團隊榮獲北京交通大學(xué)"三育人”先進(jìn)集體、北京高校優(yōu)秀本科育人團隊。
第1章 緒論 1
1.1 高速鐵路道岔的疲勞損傷機理 1
1.1.1 疲勞損傷形式 2
1.1.2 疲勞損傷機理 3
1.1.3 研究方法 3
1.1.4 未來發(fā)展方向 4
1.2 鋼軌缺陷檢測 5
1.2.1 磁粉檢測 5
1.2.2 渦流檢測 6
1.2.3 漏磁檢測 6
1.2.4 機器視覺檢測 7
1.2.5 超聲波檢測 7
1.2.6 聲發(fā)射技術(shù) 9
1.2.7 機器學(xué)習(xí)方法 9
1.3 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù) 11
1.3.1 超聲導(dǎo)波的傳播特性 11
1.3.2 超聲導(dǎo)波模態(tài)分析與信號處理 13
1.3.3 超聲導(dǎo)波模態(tài)激勵方法 16
1.3.4 超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù) 17
1.4 道岔尖軌超聲導(dǎo)波檢測技術(shù) 18
1.5 本書內(nèi)容結(jié)構(gòu) 20
第2章 道岔尖軌中的超聲導(dǎo)波 22
2.1 超聲導(dǎo)波的基本特性 22
2.1.1 超聲導(dǎo)波的基本概念 22
2.1.2 超聲導(dǎo)波的速度和模態(tài) 23
2.1.3 超聲導(dǎo)波的多模態(tài)和頻散特性 26
2.2 道岔尖軌中超聲導(dǎo)波的傳播特性 27
2.2.1 道岔尖軌三維模型構(gòu)建 28
2.2.2 頻散曲線求解 29
2.2.3 振型分析 36
2.3 基于K-Means聚類算法的模態(tài)分類方法 49
2.3.1 K-Means聚類算法的基本原理 50
2.3.2 K-Means聚類算法的實現(xiàn)及分析 51
2.4 基于振動位移的激勵節(jié)點選取 57
本章小結(jié) 60
第3章 道岔尖軌導(dǎo)波有限元仿真技術(shù) 61
3.1 道岔尖軌有限元仿真概述 61
3.1.1 有限元分析理論基礎(chǔ) 62
3.1.2 三維模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分 63
3.1.3 仿真流程 64
3.2 模態(tài)振型存在性分析 66
3.2.1 基于波數(shù)的模態(tài)分析 66
3.2.2 基于位移的振型分析 71
3.3 基于時域特征的接收節(jié)點優(yōu)選方法 76
3.4 質(zhì)量塊模擬缺陷研究 78
3.4.1 模擬缺陷模型構(gòu)建 78
3.4.2 實驗結(jié)果及分析 80
本章小結(jié) 83
第4章 道岔尖軌導(dǎo)波激勵與采集 84
4.1 系統(tǒng)總體方案 84
4.2 超聲導(dǎo)波激勵與采集系統(tǒng)硬件 85
4.2.1 硬件方案 85
4.2.2 硬件電路 86
4.2.3 超聲導(dǎo)波換能器 90
4.3 超聲導(dǎo)波激勵與采集系統(tǒng)軟件 91
4.3.1 軟件方案 91
4.3.2 開發(fā)工具介紹 91
4.3.3 激勵端程序設(shè)計 93
4.3.4 接收端程序設(shè)計 97
4.4 人機交互界面與算法 100
4.4.1 需求分析 101
4.4.2 界面設(shè)計 101
4.4.3 程序設(shè)計與濾波算法 102
本章小結(jié) 107
第5章 基于小波基線的道岔尖軌缺陷檢測 108
5.1 數(shù)據(jù)集 108
5.2 基于時域基線的道岔尖軌缺陷檢測方法 111
5.2.1 信號預(yù)處理 112
5.2.2 時域基線法 114
5.3 頻域基線法 118
5.4 小波基線法 122
5.5 缺陷識別 125
本章小結(jié) 128
第6章 基于機器學(xué)習(xí)的道岔尖軌缺陷檢測方法 129
6.1 基于傳統(tǒng)分類器的道岔尖軌缺陷檢測方法 129
6.2 機器學(xué)習(xí)分類結(jié)果 133
6.3 基于CNN+LSTM的道岔尖軌缺陷檢測方法 134
6.3.1 信號預(yù)處理 135
6.3.2 1D-CNN-LSTM道岔尖軌缺陷識別模型 136
6.3.3 1D-ResNet-SE-LSTM道岔尖軌缺陷識別模型 138
6.3.4 實驗結(jié)果對比 140
本章小結(jié) 143
第7章 基于主導(dǎo)模態(tài)的道岔尖軌缺陷檢測 144
7.1 基于基線法的道岔尖軌缺陷檢測方法 144
7.2 超聲導(dǎo)波傳播特性分析 149
7.2.1 頻散曲線求解 149
7.2.2 振型求解 152
7.2.3 基于振動位移的最佳激勵節(jié)點選取 161
7.3 仿真分析 162
7.3.1 基于有限元仿真的模態(tài)存在驗證 162
7.3.2 道岔尖軌缺陷的仿真分析 166
7.4 實驗驗證 168
本章小結(jié) 173
第8章 道岔尖軌缺陷檢測實驗與應(yīng)用 174
8.1 缺陷檢測算法 174
8.2 實驗室測試 175
8.3 鐵路現(xiàn)場測試 176
本章小結(jié) 179
參考文獻(xiàn) 180
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