论文题目: 基于红外热像的碳纤维混凝土损伤分析与研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 结构工程
作者: 黄莉
导师: 李卓球
关键词: 碳纤维混凝土,电热效应,红外无损检测,内热源,损伤演变
文献来源: 武汉理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文的研究课题来源于国家自然科学基金重点项目——机敏混凝土及其结构(项目编号:50238040)。 大型水坝、桥梁、核电站安全壳等重大混凝土工程的安全可靠性、耐久性问题是涉及国家经济发展与国家安全的重大问题。而已有的混凝土大型结构和基础设施的损伤积累和灾变行为日趋突出。因此,对重大混凝土工程结构进行损伤监测与分析已成为土木工程领域中的重要研究课题之一。 本文提出了利用碳纤维混凝土的功能特性,对混凝土中的损伤进行红外检测的方法,并从实验、理论、数值计算等多方面对检测机理、影响因素等进行了分析。同时对将此方法应用于实时监测时所产生的力、电、热耦合问题进行了一定的分析与研究。主要成果与创新之处如下: 1、利用碳纤维混凝土的功能特性,提出并设计了基于电热的碳纤维混凝土红外热像检测方法,并通过实验研究证实了方法的可行性,检测结果显示只需通低压电源就能使远离缺陷的正常部位温度升高1～2℃,而在缺陷附近的表面处温度大幅度上升,因此比一般红外检测方法更利于缺陷的检出。同时,检测结果也显示了检测与时间、材料组分、缺陷形态的相关性。 2、建立了碳纤维混凝土红外热像方法的瞬态热传导温度分析模型,研究分析了材料组分及外部环境因素从材料电、热性能参数方面对检测的影响机理,以及检测的主导机制:宏观缺陷的存在和缺陷局部微观特性导致的非均匀内热源效应,并采用等效电阻串、并联模型对其进行了解释。 3、建立了基于碳纤维混凝土红外热像方法的碳纤维混凝土缺陷体电-热耦合有限元分析模型,利用大型有限元软件Marc及自编用户子程序进行了数值计算,将所得结果与实验结果进行模拟与比较,进一步验证了检测方法的可行性和有限元数值模拟的有效性。同时,大量的数值结果分析显示了此种红外检测方法的敏感因素,为具体检测方案的选择和优化提供了依据。 4、研究了利用格林函数法求解缺陷体电、热耦合问题温度场的方法。在分析了不同缺陷情况下电场分布的基础上,利用瞬态热传导格林函数法求解得到二维缺陷体温度场的近似理论解,编程计算的结果显示了所求温度分布与实测
论文目录:
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 混凝土损伤的研究现状
1.3 碳纤维混凝土的研究现状
1.3.1 碳纤维混凝土的力学性能
1.3.2 碳纤维混凝土的电学性能
1.3.3 碳纤维混凝土的热学性能
1.3.4 碳纤维混凝土的温敏效应
1.3.5 碳纤维混凝土的压敏性
1.4 红外无损检测研究现状
1.5 本文的主要研究内容
第2章 基于电热的碳纤维混凝土红外检测实验研究
2.1 电热碳纤维混凝土红外检测方法的提出
2.2 原料、设备及制作
2.2.1 原材料及其用途
2.2.2 主要称量及成型设备
2.2.3 实验设备及作用
2.2.4 试件制备工艺
2.2.5 电极的制作及缺陷的预制
2.3 电热碳纤维混凝土红外检测方法的实施
2.3.1 检测实验装置
2.3.2 检测原理
2.3.3 检测过程及影响因素
2.4 电热碳纤维混凝土红外检测结果与分析
2.4.1 检测的时间相关性
2.4.2 不同组分碳纤维混凝土的检测结果及分析
2.4.3 不同缺陷几何特征下的红外检测结果及分析
2.5 本章小结
第3章 电热碳纤维混凝土红外检测的机理分析
3.1 瞬态热传导基本理论
3.1.1 导热方程及单值性条件
3.1.2 导热问题求解方法
3.2 电热碳纤维混凝土的温度场分析模型
3.2.1 电热温度场控制方程
3.2.2 温度场求解的定解条件
3.3 电热碳纤维混凝土温度场的影响因素分析
3.3.1 不同材料组分下的物性参数影响
3.3.2 不同外部环境性态的影响
3.4 电热碳纤维混凝土红外检测的损伤影响机理
3.4.1 损伤几何形态的热源效应
3.4.2 碳纤维混凝土损伤微观特性的影响
3.5 本章小结
第4章 电热碳纤维混凝土红外检测的有限元分析
4.1 电热耦合瞬态热传导的有限元计算
4.2 电热红外检测的有限元模拟
4.2.1 有限元前处理
4.2.2 有限元计算结果与实验值比较
4.3 电热红外检测的灵敏性分析
4.3.1 对缺陷几何尺寸的灵敏性
4.3.2 对材料不同物性参数的灵敏性
4.3.3 裂纹处对流设置的影响
4.4 本章小结
第5章 碳纤维混凝土缺陷体电热温度场的近似理论解
5.1 求解温度场的格林函数法
5.2 缺陷体焦耳热源分析
5.2.1 圆形空腔缺陷热源分析
5.2.2 椭圆缺陷热源分析
5.2.3 裂纹缺陷热源分析
5.2.4 其他形状的空腔缺陷
5.3 电热红外检测的表面温度场近似理论解
5.3.1 缺陷体温度场简化模型
5.3.2 格林函数求解温度场
5.3.3 温度场求解分析
5.4 理论解与红外实测结果及有限元计算结果的比较
5.5 本章小结
第6章 红外实时监测时电热碳纤维混凝土的损伤研究
6.1 实时监测时的力、电、热耦合问题
6.1.1 力、电、热的耦合机制
6.1.2 热力学分析
6.2 耦合问题求解途径
6.2.1 全解耦
6.2.2 全耦合
6.2.3 半解耦
6.2.4 局部耦合
6.3 简单加载情况下力、电、热的解耦分析
6.3.1 基于微结构变化的损伤表征
6.3.2 含损伤的应力应变关系及损伤演变规律
6.3.3 电参数的演变规律
6.3.4 力、电与热单耦合时的温度场全解耦分析
6.4 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 全文总结
7.2 研究展望
参考文献
附录：攻读博士学位期间发表的论文
致谢
发布时间: 2005-10-11
参考文献
- [1].碳纤维混凝土与素混凝土的力电机敏性及应用研究[D]. 孙明清.武汉理工大学2002
- [2].新型建筑材料—纳米级碳纤维混凝土性能研究[D]. 高迪.中南大学2011
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- [5].机敏混凝土结构的温差变形自调节研究[D]. 朱四荣.武汉理工大学2004
- [6].碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的研究[D]. 于天来.东北林业大学2005
- [7].碳纤维加固钢筋混凝土桥梁复合结构的力学行为分析[D]. 王树森.吉林大学2005
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