基于高分辨率Radon变换的瑞利波反演在役路基动模量

为了探索在役路基动模量的一种动态反演与成像方法,该研究通过瑞利波在弹性层状体系中的理论频散方程,揭示了瑞利波在基准路基路面结构中的理论频散特征,基于高分辨率线性Radon变换建立了路基路面结构中瑞利波频散曲线的提取方法。在结合高分辨线性Radon变换提取的频散曲线与路基工作区细化分层的基础上,建立了在役路基工作区动模量的反演成像方法。通过在足尺道路试槽内点对点依次进行瑞利波、落锤式弯沉仪(fallingweightdeflectmeter, FWD)、承载板和弯沉测试,建立了各测试指标之间的关系。结果显示,瑞利波反演的路基动模量与其他测试方法相应结果的相关系数均大于0.80,且反演成像结果能够正确、清晰地反映路基承载能力与压实工况。     

考虑模型误差的动载荷反演问题研究

动载荷反演分析技术应用于实际工程,除了受到测量响应中存在的测量误差影响外,还受到数值仿真模型与实际工程模型之间差异的影响,针对这一问题建立了考虑模型误差的动载荷反演时域分析模型,并提出了基于总体最小二乘的正则化求解方法。数值仿真表明,本文提出的方法可以降低模型误差和响应噪声带来的影响。     

瑞利波作用下考虑桩土相互作用的单桩竖向动力响应计算研究

在前人对瑞利波作用下考虑桩土相互作用的单桩动力响应简化算法研究的基础上,将采用Novak薄层法计算地基土动力阻抗的方法引入到该领域的研究中,得到了单桩竖向动力响应的计算公式.在此计算公式的基础上分析了长径比、桩土刚度比、地基土的泊松比对单桩竖向响应的影响,并与原简化公式的结果进行了对比.     

考虑高阶剪切的轮胎Gough刚度模型

轮胎是一种帘线增强橡胶复合材料结构,Gough刚度是表征轮胎侧向变形与磨耗的一个重要参数,但缺乏理论推导。本文基于高阶剪切复合材料梁理论,研究子午线轮胎带束层角度对轮胎侧向变形的影响及Gough刚度的理论基础。在Fiala横梁模型的基础上,将轮胎简化为弹性基础上的复合材料梁。胎侧及胎面胶简化为弹性基础,带束和胎体简化为复合材料梁。考虑高阶剪切位移场及帘线-橡胶材料的各向异性,利用虚功原理建立模型方程,得到了复合材料梁在侧向载荷作用下的小挠度理论解,与有限元结果和已有文献结果对比验证了其合理性。算例分析表明,当胎体等效梁结构的高宽比固定时,对应Gough刚度极大值带束角度是固定的;不同的帘线模量和橡胶模量也会对Gough刚度极大值所对应的带束角度产生不同的影响;带束层厚度对Gough刚度极大值对应的带束角度影响较小。根据Gough刚度极大值准则得到了不同高宽比下的轮胎最佳带束角度,利用实际轮胎解剖结构进行了验证。本文提出的模型为子午线轮胎带束角度优选和磨耗设计提供了理论指导。      

时程分析考虑高阶振型影响的多频段地震波选择方法研究

针对结构抗震时程分析输入地震波选择问题,以加速度反应谱（或设计谱）为目标谱,在反应谱平台段和结构基本周期附近误差双控指标中,引入了由归一化振型参与系数确定的前几阶振型的权重系数,提出了考虑多频段加权匹配的时程分析输入地震波选择方法,以充分考虑高阶振型的影响。以美国SAC Steel Project提出的9层和20层抗弯钢框架Benchmark结构为实例,为方便将建议选波方法与较多地震波输入时程分析结果进行比较,以简单地震信息初选的小型地震波数据库中的20条地震波的均值（放大系数）谱作为目标谱,以这20条地震波时程分析得到的结构最大基底剪力和层间位移角均值为目标反应,前者考虑弹性状态,后者对应弹塑性情况。将按该文方法选出的3条波输入下结构反应均值与目标反应进行了比较分析,初步证实了建议选波方法的可行性。将该文方法与ASCE 7-05地震波输入要求方法对比,在弹塑性反应状态下,两者对结构最大层间位移角沿楼层分布规律的估计以及薄弱层位置的判断均与目标反应较为一致。ASCE 7-05方法输入下结构反应均大于目标反应,偏于安全。而按该文方法输入存在高估和低估结构反应的情况,建议附加\     

毫米波准光高阶模式激励器的研究与设计

基于毫米波准光模式传输和变换理论,详细研究了准光模式激励器通过波纹喇叭天线、准抛物柱面反射器和同轴开放式谐振腔激励圆极化高阶目标模式的原理。分析了W波段波纹喇叭天线产生准高斯模式HE11的过程;利用几何射线法研究了准抛物反射面天线作为腔体辐射馈源的设计方法;通过小孔耦合理论研究了侧壁开孔的三段式同轴谐振腔激励高阶模式的机理。同时,该文还优化设计了工作模式为TE62模,工作中心频率为94.8 GHz的准光模式激励器,使用三维电磁仿真软件FEKO仿真计算结果表明该模式激励器在94~96 GHz频率范围内目标模式的纯度超过95%,系统效率达到34%。     

瑞利波检测钢结构表面缺陷深度数值研究

本文介绍了一种利用瑞利波在表面缺陷处的传播时间规律检测材料表面缺陷深度的方法,该法比较适合检测材质均匀的金属材料表面缺陷深度.在超高频率的激励作用下,介质表面产生的瑞利波波长远小于钢结构表面缺陷深度,瑞利波会沿着表面缺陷两个侧面传播到上表面.本文分析了各应力波的衍射和模式转换,及其各自传播路径;通过位移几何关系计算不同应力波的传播时间,确定计算钢结构表面缺陷深度的理论公式,通过有限元数值计算验证理论分析的正确性;研究了钢结构表面缺陷的定位方法;讨论激励频率,激励源和观测点位置,实际构件边界对检测结果的影响.     

一种考虑高阶振型影响的模态条件均值目标谱方法研究

采用传统条件均值谱作为目标谱匹配选波未能有效考虑结构的高阶振型影响,针对这一缺陷,在条件均值谱方法的理论基础上,提出了一种考虑高阶振型影响的模态条件均值谱方法.该方法以振型参与质量系数作为权重,将各振型下的条件均值谱组合起来,得到一条新的目标谱,称为模态条件均值谱.设计了一座30层的钢框架-中心支撑结构,分别生成其主周...     

考虑结构高阶振型信息的AMD低维控制器设计

为减小AMD控制系统的时滞影响,一般需对被控结构模型作减维处理,但是在减维过程中系统较小特征值对应相关的结构信息被直接舍弃,将使得低维结构缺少原结构高阶振型等信息,导致低维模型精度降低,影响控制器的设计准确性。在基于均衡截断法和极点配置算法的低维控制器设计中,重新考虑舍弃的结构高阶信息,该信息包括原结构的高阶自振频率、高阶阻尼比以及高阶振型模态信息等,并在进行极点配置之前,先考虑该部分信息对系统极点位置的影响,在控制系统的设计阶段消除了低维模型精度低的不利影响。以10层结构为例,基于改进的低维控制器,以系统控制效果、AMD控制力及行程峰值为指标,分析了低维模型对AMD控制系统性能的影响;并以4层框架实验模型的AMD控制系统为实例,验证上述数值分析结论的正确性。     

高墩梁桥考虑墩身高阶振动的水平向主导振型

规则中、低墩梁桥的水平向动力特性主要取决于对应方向的基本振型,因而可近似按单自由度体系对其进行抗震性能研究和抗震设计.而高墩梁桥由于墩身质量参与和高阶振型影响,其动力特性较为复杂,难以借用单自由度体系模型进行抗震分析和研究.为进一步了解高墩梁桥的动力特性和地震反应特点,将高墩梁桥简化成单墩-质点体系模型,考虑墩身质量参与和高阶振型,分别研究墩高、墩顶集中质量和梁-墩质量比等参数对体系水平向主导振型分布的影响,提出梁-墩质量比是决定单墩-质点体系水平向振型质量参与系数的主要因素,并通过曲线拟合给出了二者间的函数关系式;再利用反应谱方法计算体系在不同地震动输入下的墩底内力和墩顶位移,分离出前几阶水平向振型对体系地震反应的贡献率,依此给出因计算目标而异的选取单墩-质点体系水平向主导振型的合理判据.     

Self-Focusing of Rayleigh Waves and Lamb Waves with a Linear Phased Array

A simple idea for self-focusing of a linear array has been extended to Rayleigh and Lamb waves. The self-focusing procedure first measures the backscattered signals for a first transmission by a single element of the array. A cross-correlation technique is used to determine the time-of-flight differences of the backscattered signals received by the elements of the array. These time delays are used to adjust the times of excitation of the elements for transmission focusing on the defect. Using the differences in arrival time once more, the backscattered signals after transmission focusing are aligned for reception focusing. Experimental results demonstrate the ability to self-focus on single defects. For multiple defects, the technique has been extended to focus on the defect that produces the largest backscattered signal.     

Ultrasonic Approach of Rayleigh Pitch-catch Contact Ultrasound Waves on CFRP Laminated Composites

CFRP （carbon fiber reinforced plastics） composite materials have wide applicability because of their inherent design flexibility and improved material properties. However, impacted composite structures have 50%-75% less strength than undamaged structures. In this work, a CFRP composite material was nondestructively characterized in order to ensure product quality and structural integrity of CFRP and one-sided pitch-catch technique was developed to measure impacted-damaged area by using an automated-data acquisition system in an immersion tank. A pitch-catch signal was found to be more sensitive than normal incidence backwall echo of longitudinal wave under defect conditions in the composite.     

Fatigue load monitoring in steel bridges with Rayleigh Waves

Fatigue load monitoring is a useful tool for safety assessment of highway bridges. Monitoring has been conventionally done using strain gages. Installation of these gages is labor-intensive and requires safety precautions. Noncontact electromagnetic-acoustic transducers (EMATs) offer an attractive alternative. EMATs were used to transmit and receive Rayleigh Waves (RW). Changes in time of flight of RW due to the acoustoelastic effect can in principle be used to monitor stresses resulting from vehicular traffic. We have performed proof-of-concept experiments to demonstrate the feasibility of this approach. Specimens were subjected to bending to simulate the load environment in bridges. RW EMATs were used to measure the relatively low stresses (less than 14 MPa) typically experienced by bridge girders. The signal-to-noise ratio achievable with our system should allow adequate stress resolution for fatigue load monitoring. Factors which could impede technology transfer were considered. The primary obstacle appears to be variability in time of flight (TOF) due to magnetostriction. If the magnetic state is changed (e.g., by scanning of the EMATs) the TOF can change, even at constant stress. We have characterized this effect. If a proper installation procedure is followed, fatigue load monitoring with RW EMATs is feasible.Contribution of the National Institute of Standards and Technology.     

利用瑞利波速度弥散特性反演地基参数

文献[1]利用有限元与半无限元相结合的方法已能精确有效地计算成层地基R波速度的理论弥散曲线.在此基础上,本文利用阻尼最小二乘法推导了R面波法反分析成层地基土的有关参数的公式,给出了应用实测的R波弥散曲线反演土层参数的方法,并编制了相应的计算机程序.最后,通过计算实例验证了本文方法的可靠性和实用性.     

Rayleigh波作用下地下结构地震反应影响分析

采用基于时域粘弹性人工边界的Rayleigh波输入方法,进行了土-地下结构相互作用体系在Rayleigh波作用下的动力时程反应分析,对Rayleigh波作用下地下结构的地震反应特性进行研究。重点讨论了地下结构材料强度、结构厚度以及土层刚度等因素对Rayleigh波作用下地下结构地震反应的影响。结果表明Rayleigh波对浅埋地下结构的地震动力反应影响显著,将使结构产生较大的内力与变形,在地下结构抗震设计尤其是浅埋地下结构的抗震设计时应予以足够的重视。     

Love波变分原理与Love面波法的反演技术

本文从Ｌｏｖｅ波的变分原理出发，导出了非均质地基土参数（如剪切波速度β、质量密度ρ）的微小扰动引起Ｌｏｖｅ波相速度ｃ或波数ｋ的微小变化的解析关系式，进而求得相速度或波数对土层参数（β、ρ）的偏微商．在利用面波法（即ＳＡＳＷ法）反演土层参数时，若以上述偏微商代替以往的割线法［１］［２］计算偏导数迭代矩阵Ａ＿Ｋ，不仅准确，而且可大大减少计算量，节约机时，提高反演速度．文末给出的实例证明了此法的合理性和实用性。     

Extracting Rayleigh Waves from Noise Using a Differential Optical Interferometer

This article introduces a new strategy for extracting Rayleigh waves from a noisy environment using a differential optical interferometer (DOI). The DOI consists of a bidirectional coupler; one arm, positioned over a test specimen, senses an acoustic signal immersed in noise while the other arm, positioned over an acoustic isolator, senses the noise alone. Analytical arguments show that when the coupler is designed properly, the phase shifts between the signals returning to a photodetector produce an intensity modulation that is directly proportional to the pure acoustic signal. The analysis is verified when the DOI is used to track the surface displacement of a piezoelectric transducer. Then, random noise is introduced into an aluminum test specimen using a motor equipped with a rotating eccentric cam. The DOI is used to subtract the relatively high-amplitude but low-frequency mechanical vibrations of the test surface from a combined signal that includes the desired Rayleigh wave. Finally, an experimental configuration is demonstrated which allows an acoustic signal to be extracted from noise of a similar frequency.