隨著近年來我國從工業(yè)大國到工業(yè)強(qiáng)國的轉(zhuǎn)型，金屬絞線在高鐵、煤炭、石油、冶金、化工、船舶、電力、橋梁等領(lǐng)域中被大量使用。在《中國制造2025》等國家重大戰(zhàn)略推進(jìn)實(shí)施的背景下，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施全面建設(shè)使得金屬絞線結(jié)構(gòu)的安全使用愈加重要，復(fù)雜金屬絞線結(jié)構(gòu)損傷的有效檢測方法研究已成為結(jié)構(gòu)健康檢測學(xué)科的前沿問題。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)作為一種前沿?zé)o損檢測技術(shù)，具有檢測效率高、檢測距離長等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于管道、鋼軌、錨索等結(jié)構(gòu)的損傷檢測。

作者從事金屬絞線結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波檢測理論和應(yīng)用研究已有多年，為使讀者更好地理解超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在該結(jié)構(gòu)上的推廣與應(yīng)用，將多年的研究成果進(jìn)行匯總，并歸納總結(jié)成本書。全書共有6章，第1章概述了陣列超聲導(dǎo)波檢測方法及其研究現(xiàn)狀； 第2章主要介紹了多層絞線結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波頻散曲線求解方法，并分析該結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波傳播特性及相關(guān)影響因素； 第3章分別介紹了面向多層絞線結(jié)構(gòu)研制的針狀式、氣壓緊式、環(huán)孔式陣列超聲導(dǎo)波傳感器； 第4章介紹了多層絞線結(jié)構(gòu)中的陣列超聲導(dǎo)波螺旋聚焦增強(qiáng)機(jī)制，并進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證； 第5章介紹了多層絞線結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波損傷識別方法，通過建立頻散字典實(shí)現(xiàn)損傷信號的提�。� 第6章介紹了多層絞線結(jié)構(gòu)的時間反演損傷成像檢測方法，實(shí)現(xiàn)損傷的直觀顯示。本書可以作為超聲導(dǎo)波無損檢測領(lǐng)域各個層次研究人員的參考書。

超聲導(dǎo)波本身具有頻散、多模態(tài)、衰減等特性，在多層絞線結(jié)構(gòu)中的傳播則更為復(fù)雜，絞線內(nèi)層損傷散射信號通過絞線單線間的多次耦合傳播，信號微弱且易被其余信號掩埋，因此，通過超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)對多層絞線結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測，對多層絞線結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波特性、包覆區(qū)承力索內(nèi)層損傷增強(qiáng)及損傷成像、損傷導(dǎo)波信號提取等方面進(jìn)行深入研究。因此，本書主要邏輯框架如下圖所示。具體內(nèi)容如下。

全書結(jié)構(gòu)總圖

第1章絞線結(jié)構(gòu)陣列超聲導(dǎo)波檢測方法概述。對比絞線結(jié)構(gòu)常用的無損檢測方法，闡述超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在包覆區(qū)絞線結(jié)構(gòu)檢測方面的優(yōu)勢，整理分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波特性求解方法、超聲導(dǎo)波信號分析方法、超聲導(dǎo)波成像聚焦三方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展以及應(yīng)用于多層絞線結(jié)構(gòu)檢測時尚須解決的問題。

第2章多層絞線結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波傳播特性研究。為解決傳統(tǒng)方法難以求解多層螺旋耦合桿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波頻散曲線問題，提出一種基于扭曲坐標(biāo)系的半解析有限元法。分析超聲導(dǎo)波在絞線單線中的傳播特性、桿間接觸耦合作用以及螺旋結(jié)構(gòu)對耦合桿中導(dǎo)波傳播的影響，并結(jié)合包覆結(jié)構(gòu)對絞線中導(dǎo)波傳播影響分析，最終確定適用于檢測的信號頻率、模態(tài)及激勵方式。

第3章壓電陣列超聲導(dǎo)波傳感器設(shè)計。根據(jù)超聲導(dǎo)波檢測原理及面向絞線結(jié)構(gòu)的多種檢測需求，設(shè)計開發(fā)了一系列壓電陣列超聲導(dǎo)波傳感器，即針狀式陣列超聲導(dǎo)波傳感器、氣壓緊式陣列超聲導(dǎo)波傳感器、環(huán)孔式陣列超聲導(dǎo)波傳感器，為絞線結(jié)構(gòu)損傷檢測提供前端檢測基礎(chǔ)。

第4章陣列超聲導(dǎo)波螺旋聚焦增強(qiáng)機(jī)制研究。根據(jù)絞線螺旋結(jié)構(gòu)的幾何特征，分析螺旋內(nèi)層目標(biāo)點(diǎn)與超聲導(dǎo)波陣列之間的路程差，確立絞線中的陣列超聲導(dǎo)波布置方式，提出基于全矩陣捕獲的陣列超聲導(dǎo)波螺旋聚焦增強(qiáng)方法； 建立絞線有限元模型，分析陣列超聲導(dǎo)波信號通過螺旋聚焦在各層單線上的聚焦增強(qiáng)效果，以及螺旋聚焦對內(nèi)層損傷散射信號的增強(qiáng)作用。

第5章多層絞線結(jié)構(gòu)超聲導(dǎo)波損傷識別方法。根據(jù)超聲導(dǎo)波在包覆區(qū)絞線中的傳播特性，建立能表征導(dǎo)波信號模態(tài)和傳播距離的過完備原子庫，提出損傷導(dǎo)波信號的交叉稀疏表示方法，大幅降低損傷信號稀疏表示結(jié)果稀疏度，提升損傷信號識別率，并提出一種虛擬雙向時間反演的損傷成像方法。通過有限元仿真實(shí)驗(yàn)，分析該方法在包覆區(qū)絞線最外層損傷信號、內(nèi)層損傷信號上的提取效果，并通過提取的反射端損傷信號和透射端損傷信號實(shí)現(xiàn)包覆區(qū)承力索的損傷成像。

第6章多層絞線結(jié)構(gòu)時間反演損傷成像檢測方法。提出一種虛擬雙向時間反演成像方法，通過雙層絞線驗(yàn)證其可行性。在此基礎(chǔ)上提出虛擬雙向時間反演成像檢測方法，并通過包覆區(qū)承力索最外層單線損傷、內(nèi)層全損傷、內(nèi)層單線損傷成像檢測實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將全聚焦成像結(jié)果與虛擬雙向時間反演成像結(jié)果進(jìn)行對比。

本書的研究內(nèi)容得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51975220、51305141)、廣東省杰出青年基金項(xiàng)目(2019B151502057)、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014A030313248)的資助，在此表示由衷的感謝。還要感謝吳斯棟、何永奎、楊定民等，他們對本書的出版貢獻(xiàn)了力量。

由于作者水平有限，難免有所疏漏，敬請讀者批評指正。

作者
2024年6月