混凝土损伤识别中的时间逆转成像方法

时间逆转成像技术具有定位准确和操作简单之特点,本文将其运用于混凝土结构损伤的检测．通过提取各换能器单元的发射信号和损伤散射信号构建超声波传播的传递矩阵然后对其进行奇异值分解,获得包含损伤信息的奇异向量;采用多重信号分类(multiple signal classification, MUSIC)算法,分别基于数值模拟数据和实验实测数据对混凝土结构内部损伤进行成像,实现了准确的损伤定位,并将成像结果与偏移成像法进行对比．此工作探索了将时间逆转成像技术应用于混凝土结构内部损伤实际工程检测可行性,为无损检测技术人员定性或定量分析混凝土结构的内部缺陷提供理论参考．     

轻粗骨料含量对混凝土抗压性能尺寸效应影响的细观数值模拟

为了研究轻粗骨料含量对轻骨料混凝土立方体抗压破坏行为与尺寸效应的影响,本文根据瓦拉文公式确定轻粗骨料数量,借助混凝土细观数值建模方法分别建立了边长为100 mm、150 mm、300 mm、450 mm的二维轻骨料混凝土细观数值模型．采用塑性损伤本构模型,通过细观数值模拟研究了不同试件尺寸及不同轻粗骨料含量的轻骨料混凝土在单轴受压下的破坏形态及宏观应力-应变关系曲线．结果表明,在相同试件尺寸下,轻粗骨料含量对轻骨料混凝土单轴抗压强度有一定影响,受压破坏时轻粗骨料颗粒破坏．比较轻粗骨料含量相同的轻骨料混凝土立方体抗压性能发现,轻骨料混凝土尺寸效应明显,单轴抗压强度随试件尺寸增大而减小,且粗骨料含量影响轻骨料混凝土的尺寸效应．此外,细观数值模拟结果表明Ba?ant尺寸效应律适用于轻骨料混凝土的抗压性能．     

混凝土受拉性能多尺度均匀化数值模拟研究

为研究混凝土的细观结构对其受拉性能的影响,本文首先采用蒙特卡罗方法生成了多组混凝土随机骨料模型;然后划分有限元网格并映射到所建立的混凝土随机骨料数值模型上,采用复合材料均匀化方法建立了混凝土多尺度均匀化数值模型。考虑骨料随机分布和骨料形状,通过数值分析得到了在单轴拉伸情况下混凝土损伤分布特性及宏观应力-应变关系,在考虑随机性与非均质性的同时得到了较为理想的结果。运用多尺度均匀化的建模方法不仅能反应混凝土细观结构的影响,而且等效化模型的模拟计算时间大大减少,节约计算资源,提高了计算效率,具有优越性。     

基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究

将混凝土假定为一种由硬化水泥砂浆、粗骨料、界面粘结带所组成的三相复合材料,在满足骨料级配曲线算法的基础上,采用细观单元的弹塑脆性损伤本构关系,考虑材料的非均质特性,建立了基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤数值模型;分别研究了单轴受拉预置裂纹试样和单轴受压混凝土试样的细观弹塑脆性损伤破坏行为,并揭示了混凝土的宏观表征强度存在明显的尺寸效应,通过将计算结果与 Bazant 尺寸效应公式、单轴受压物理实验曲线进行对比,验证了模型的正确性。数值试验表明：该模型可以清晰地模拟混凝土细观塑性屈服和失效裂纹的萌生和扩展。骨料与水泥砂浆间的界面粘结带相对薄弱,在混凝土试件形成宏观损伤局部化带前,试件的屈服和破坏首先发生在骨料边缘处的界面位置,并沿着界面粘结带扩展、贯通;同时,导致宏观裂纹形成和发展的因素仍以细观单元的拉伸破坏为主。     

爆炸载荷作用下混凝土靶板动态响应的细观模拟

考虑到一些对裂纹要求较严格的混凝土结构可能遭受到冲击载荷的威胁,利用混凝土三维细观力学模型对混凝土板在炸药爆炸（接触爆炸、封闭爆炸）载荷作用下的响应和破坏情况进行数值模拟,并就影响靶板内裂纹扩展结果的因素展开参数讨论。模型考虑了混凝土材料的内部细观结构（包括粗骨料体积分数、尺寸、级配等）以及三相材料力学性能的影响,准确地预测了混凝土板在2种爆炸条件下的裂纹形貌和开坑尺寸。通过与宏观均质模型的模拟结果进行对比可知,细观模型预测的接触爆炸条件下混凝土靶板的开坑形态、尺寸,以及封闭爆炸条件下混凝土盖板的主裂纹数量,均与实验观察更为贴近。此外,参数研究结果表明,三维细观力学模型的全局网格尺寸以及模型内各组分的相对网格尺寸均会对模拟结果的精度产生影响,选择与空气网格尺寸相当的混凝土网格尺寸,可以在获得较准确模拟结果的同时保证计算效率;骨料粒径大小也会影响混凝土板在爆炸载荷作用下的响应和破坏结果。混凝土三维细观力学模型能够反映混凝土结构在冲击载荷作用下的损伤和破坏的细观机理及影响因素,对指导工程设计和结构安全评估具有重要的理论意义和实际应用价值。

     

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性,研究了骨料几何形状和空间分布规律,建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型,引入了混凝土细观组份材料的本构模型,分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能,并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型,研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明,本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

粗骨料颗粒形态和体积分数对混凝土单轴压缩性能的影响研究

为了研究粗骨料形状与体积分数对混凝土单轴压缩性能的影响,运用离散元软件PFC3D中的刚性簇技术建立C30卵石粗骨料混凝土试件模型,通过将卵石混凝土单轴压缩数值模拟得到的应力-应变曲线与已有文献中卵石混凝土试验所得到的应力-应变曲线对比,标定出卵石混凝土中水泥砂浆间的细观参数、水泥砂浆与粗骨料薄弱接触面的细观参数。将标定出的细观参数运用到单一形状粗骨料混凝土中进行单轴压缩数值模拟研究。结果表明:在相同细观参数的情况下,椭球形骨料混凝土试件模型的应力-应变峰值大于扁球形骨料混凝土试件模型的应力-应变峰值,相较于扁球形骨料而言,椭球形骨料更接近成为混凝土的最佳粗骨料。在此基础上分析椭球形粗骨料体积分数对混凝土单轴抗压强度的影响,当椭球形粗骨料体积分数为57%时,混凝土抗压强度最高,且在第二阶段点时接触力最大值最大、裂纹数目最多,从而得出椭球形粗骨料在体积分数为57%时最佳。研究成果可为混凝土配合比设计提供理论支撑。     

基于“AM-GoogLeNet+BP”联合数据驱动的混凝土细观模型压缩应力-应变曲线预测

本文结合GoogLeNet卷积神经网络和BP神经网络分别在图像数据挖掘和数据分析方面的良好性能,采用“AM-GoogLeNet+BP”联合数据驱动方法,对混凝土细观模型(含砂浆、骨料及孔隙)的单轴压缩应力-应变曲线进行了有效预测.通过引入力学参量对图像数据驱动的训练结果进行优化,从而提升了神经网络的物理可解释性.基于Python语言实现混凝土细观模型在Abaqus中的自动建模及细观图像生成过程,并将生成的细观图像数据库与相应的压缩应力-应变曲线作为训练数据集.在GoogLeNet中分别引入SENet, ECANet和CBAM三种代表性注意力机制并对三种注意力机制的性能进行对比和分析,以自适应方式提升神经网络对混凝土各相组分的分析能力,并以此得到混凝土细观模型的初步应力-应变预测曲线;将骨料体积分数、孔隙率及初步峰值应力等物理参量作为输入引入BP神经网络以改善峰值应力的预测精度,并与将物理参量直接引入卷积神经网络输入层的方法进行了对比,最后定量给出了骨料体积分数和孔隙率对峰值应力的影响权重.结果表明,对于不同骨料体积分数及孔隙率的混凝土细观模型,该方法均展现了较高的预测精度.本文采用的“...     

Discriminating linear from nonlinear elastic damage using a nonlinear time reversal DORT method

The DORT method is a selective detection and focusing technique originally developed to detect defects and damages which induce linear changes of the elastic moduli. It is based on the time reversal (TR) where a signal collected from an array of transducers is time reversed and then back-propagated into the medium to obtain focusing on selected targets. TR is based on the principle of spatial reciprocity. Attenuation, dispersion, multiple scattering, mode conversion, etc. do not break spatial reciprocity. The presence of defects or damage, may cause materials to show nonlinear elastic wave propagation behavior that will break spacial reciprocity. Therefore the DORT method will not allow focusing on nonlinear elastic scatterers. This paper presents a new method for the detection and identification of multiple linear and nonlinear scatterers by combining nonlinear elastic wave spectroscopy, time reversal and DORT method. In the presence of nonlinear hysteretic elastic scatterers, forcing the solid with a harmonic excitation, the time reversal operator can be obtained not only at the fundamental frequency of excitation, but also at the odd harmonics. At the fundamental harmonic, either inhomogeneities and linear damages can be individually selected but only at odd harmonics nonlinear hysteretic elastic damages exist. A procedure was developed where by decomposing the operator at the odd harmonics, it was possible to focus on nonlinear scatterers and to differentiate them from the linear inhomogeneities. A complete mathematical nonlinear DORT formulation for 1 and 2D structures is presented. To model the presence of nonlinear elastic hysteretic scatterers a Preisach–Mayergoyz (PM) material constitutive model was used. Results relative to 1 and 2 dimensional structures are reported showing the capability of the method to focus and discern selectively linear and nonlinear scatterers. Furthermore, an analysis was conducted to study the influence of the number of sources and their location on the imaging process showing that using a higher numbers of sensors does not automatically bring to a minor uncoupled behaviour between the nonlinear targets.     

爆破震动信号的小波分析与HHT变换

以实测的爆破震动信号为例,分别应用小波分析和HHT(Hilbert-Huang Transform)变换从不同方面进行对比分析,讨论了爆破震动信号的特征提取和时频分布。结果表明：小波分析和HHT变换都是处理非平稳信号的两种好方法,都能很好地提取信号的主要特征信息和进行滤波、消噪。然而,小波分析存在选择小波基的困难,而HHT变换不需要预先选择基函数,其EMD（empirical mode decomposition）得到的IMF(intrinsic mode function)能反映原始信号的固有特性,通常具有实际物理意义;小波谱的能量在频率范围内分布较宽,而Hilbert能量谱能清晰地表明能量随时频的具体分布,大部分能量都集中在有限的能量谱线上;小波分析中时间、频率分辨率受Heisenberg测不准原理的限制,而HHT变换中时间分辨率不变且精度很高,其频率分辨率则可随信号内在的特性进行自适应调节。分析表明：HHT变换在分析非平稳信号时较小波分析更具适应性,在岩石中波的传播、衰减规律、结构动态响应特征和爆破震动破坏等研究中有着广阔的应用前景。     

Determination of the optimal Gabor wavelet shape for the best time-frequency localization using the entropy concept

The continuous Gabor wavelet transform (GWT) has been utilized as an effective and powerful time-frequency analysis tool for identifying the rapidly-varying characteristics of some dispersive wave signals. The effectiveness of the GWT is strongly influenced by the wavelet shape that controls the time-frequency localization property. Therefore, it is very important to choose the right Gabor wavelet shape for given signals. Because the characteristics of signals are rarely known in advance, the determination of the optimal shape is usually difficult. Based on this observation, we aim at developing a systematic method to determine the signal-dependent shape of the Gabor wavelet for the best time-frequency localization. To find the optimal Gabor wavelet shape, we employ the notion of the Shannon entropy that measures the extent of signal energy concentration in the time-frequency plane. To verify the validity of the present approach, we analyze a set of elastic bending wave signals generated by an impact in a solid cylinder.     

基于小波变换的爆破振动信号能量分布特征分析

为了深入研究爆破地震波特性,应用小波变换方法对具有短时非平稳特点的爆破振动信号进行了能量分布特征分析。根据小波变换的时-频特性和分层分解展开关系,将爆破振动时间历史信号用分层重构信号进行扫描,应用这些信号得到了不同频率带上爆破振动的相对能量分布和振动强度的时间变化规律。爆破振动信号实测结果分析表明,基于小波变换的能量分布特征分析可以更准确地给出爆破振动信号的细节信息。研究结果为分析爆破振动结构安全性提供了新的途径。     

Direct numerical modeling of time-reversal acoustic subwavelength focusing

Focusing waves back to their original source position is possible both experimentally and numerically thanks to time reversal mirrors (TRM). For a TRM placed in the far field of the source, the focusing spot of the reversed wavefield is subject to the diffraction limit and cannot be smaller than half the minimum wavelength, even for a very small source. Yet, numerous time reversal experiments in resonating media have shown subwavelength focusing. In this work, we show that it is possible to model these subwavelength focusing observations with simple physics, only the 2-D standard acoustic wave equation, and with specific fine scale heterogeneity. Our work is based on the spectral element method to solve the wave equation and to model time reversal experiments. Such a method makes it possible to propagate very long time series in complex and strongly discontinuous media with high accuracy. The acoustic wave equations are solved at the fine scale in media with one or more split rings of size much smaller than the wavelength. Such split rings produce a Helmholtz resonance effect as well as propagation band-gaps. We show that, in such media, even with a single split ring resonator, subwavelength focusing down to 1/13th of the minimum wavelength can be observed.     

弹性波CT在混凝土靶体冲击损伤实验中的应用

介绍了弹性波CT技术的原理、方法和优点。在弹丸冲击混凝土靶体实验中,应用弹性波CT技术对冲击前后的混凝土靶体进行CT成像分析,并根据成像剖面上冲击前后对应位置的速度对比情况,分析其在弹丸冲击作用下的宏观破坏和内部损伤。CT成像分析结论与实际观测结果有较好的一致性,这表明利用弹性波CT成像能很好地反映混凝土靶体冲击前的结构特征、冲击后的破坏状况和损伤情况。     

铝板中激光Lamb波信号的模态分析与缺陷检测研究

激光激励的Lamb波信号具有较宽的频带,且包含多个模态信息。本文采用二维傅里叶变换和时频分析等信号分析技术用于检测信号中的模态成分及缺陷信息识别。首先,对200组激光Lamb波信号进行二维傅里叶变换,得到信号的频率-波数图,可识别出激光Lamb波信号中的低阶A0、S0和高阶模态,并且A0模态能量高,可用于缺陷检测。随后对有、无缺陷状态下Lamb波信号进行连续小波变换,从时频图中识别出缺陷信号的频率成分,进一步提取特定频率下的小波系数幅值信号,实现了缺陷信息的识别。结果表明,二维傅里叶变换能较好地识别激光Lamb波的模态成分,而提取出的连续小波变换系数图,能准确实现缺陷定位。     

Damage imaging of reinforced concrete structures using electromagnetic migration algorithm

Reconstructing damage geometry with computationally efficient algorithms is of primary importance in establishing a robust structural health monitoring system (SHMS). In this paper electromagnetic migration, a linearized imaging algorithm, is adopted to image the damages in reinforced concrete structures. This algorithm is formulated in time-domain for 3-D inhomogeneous isotropic and lossy structures. In order to reduce the computational cost and to examine the damage resolution of this imaging algorithm, different imaging conditions are introduced. Numerical simulations in 2-D transverse magnetic (TM) wave for a reinforced concrete slab with multiple damages are performed to test the effectiveness of the algorithm. All synthetic sensor data, incident field, and migration field are computed via a finite difference time-domain (FDTD) method. It is concluded that the proposed imaging algorithm is capable of efficiently identifying the damages geometries, is robust against measurement noise, and may be employed in a SHMS.     

基于小波变换及Wigner-Ville变换方法的超声导波信号分析

对结构中缺陷的检测和识别是无损检测中的一项重要研究课题,超声导波由于可在短时间内检测很远距离,故它的一个重要应用便是管材的检测。因而对导波检测信号的处理成为一重要研究内容,本文利用时-频分析方法中的小波变换和Wigner-Ville变换对管道和抽油杆缺陷的导波检测信号进行了分析处理。实验结果表明,进行小波变换后,缺陷回波信号的信噪比大大提高,直径仅1mm的小孔缺陷可容易地被识别出来,准确检测出其位置;通过对信号进行Wigner-Ville的相关变换,可同时在时频两域内对缺陷的回波信号进行分析,使缺陷辨别起来简单易行。两种信号处理方法的超声导波应用研究为以后导波信号的处理提供了新的实现依据。