管道结构在长距离液体和气体运输等领域有广泛的应用。在实际应用中,大部分管道结构是层状的。这些层状管道结构可能深埋于地下,一旦出现缺陷和损伤,不易发现,安全隐患大。管道结构健康监测(Pipeline structural health monitoring,PSHM)是一种先进的技术,可以及时发现隐患,对确保管道的安全、可靠运营具有十分重要的意义。超声导波由于传播距离远、包含信息完整、引起质点振动的声场遍及整个壁厚和无需剥离外包层直接检测等优势,成为管道结构健康监测的一个重要发展方向。本文以Navier波动方程为理论基础,采用理论分析、数值计算、试验研究和有限元分析相结合的方法,并以压电超声导波为工具,分别以在无损和损伤情况下单层管道结构、层状管道结构和覆土层状管道结构为研究对象,研究超声导波传播机理、端部反射率、能量衰减系数与损伤识别等问题,旨在提出一种层状管道结构的损伤识别和结构健康监测的基本理论与方法,并提高实际工程管道结构监测水平。主要研究内容包括以下几个方面:(1)开展超声导波在管道结构中波动性能的理论分析。首先,以Navier波动方程为基础,联立边界条件,分别建立单层管道结构、层状管道结构、覆土层状管道结构频散方程,分别进行数值求解并绘制频散曲线。其次,通过分析频散曲线的性质,选择适用于管道结构的超声导波模态和中心频率。然后,研究管道结构截面内应力分布规律。最后,提出管道结构超声导波能量衰减的基本参数:端部反射率和能量衰减系数,为后续管道结构超声导波性质分析奠定理论基础。(2)建立一个单层管道结构超声导波传播性质试验系统并进行相关试验。试验结果表明,超声导波在无损/损伤单层管道结构中的传播速度试验与理论值误差较小,进一步验证了频散曲线的正确性。传播机理与理论相符合。(3)分别建立层状管道结构、损伤层状管道结构和覆土层状管道结构超声导波传播性质试验系统并进行相关试验。试验结果表明,超声导波在层状管道结构传播速度试验值与理论值误差较小,验证了频散曲线的正确性,导波能量衰减较单层管道结构更严重。在损伤层状管道结构中,损伤相当于“二次声源”,损伤位置具有明显的损伤反射回波,获得结构能量损伤指数,为建立层状管道结构损伤识别算法提供数据基础。超声导波在覆土层状管道结构传播速度理论值与试验值稍有误差,但误差较小,与频散曲线基本符合。传播机理与理论相符合。(4)进行基于压电超声导波的单层管道结构损伤识别有限元分析。采用大型有限元软件ABAQUS建立粘贴式压电陶瓷元件(PZT)的驱动与传感多物理场实体模型,并将PZT模型与管道结构模型耦合,建立一个管道结构实体单元损伤识别有限元分析平台并进行多种工况下的有限元分析。结果表明,超声导波在单层管道结构中传播速度计算值与理论值基本相等,验证了频散曲线的正确性;另外,信号接收位置距离激发位置越远,传感信号的幅值越小、脉宽越大。与试验结果进行对比,验证了有限元分析结果的正确性。(5)进行基于压电超声导波的层状管道结构损伤识别有限元分析。同样采用大型有限元软件ABAQUS建立一个多物理场实体有限元模型,并进行多种工况下的有限元分析。首先,进行导波波动性能数值分析,结果表明,超声导波在层状管道结构传播速度计算值与理论值基本相等,与频散曲线相符;管道结构轴向传播性质与单层管道结构相似,但是接收位置距离激励位置越远,信号幅值更小、脉宽更大、端部反射率更小、能量衰减系数更大;管道结构径向传播尤其是保温层和防腐层发生了明显的透射和反射,导致严重的频散和能量衰减,波形图表现为信号脉宽增大导致信号难以识别,同时幅值降低、端部反射波不明显,频谱图表现为主频率不集中、有明显的分岔。然后,进行层状管道结构损伤识别有限元分析,结果表明,能够比较准确地定位损伤位置,损伤程度越大,损伤反射波能量越大,直接导致随后的端部反射波能量越小。与试验结果进行对比分析,有限元模拟信号的模态转换波明显、端部反射波和损伤反射波与试验结果相一致,端部反射率较试验值略大,能量衰减系数较试验值减小,说明试验超声导波的能量衰减更加严重。建立不同损伤程度的层状管道结构有限元模型,提出损伤程度与损伤指数的量化关系,建立层状管道结构损伤识别算法。该方法根据损伤指数确定层状管道结构5个损伤等级,明确提出了层状管道结构从完好到破坏的程度,并提出更换层状管道结构的建议损伤指数。最后,进行覆土层状管道结构健康监测有限元分析,结果表明,超声导波在管道结构径向传播模态转换波较多,加之脉宽增大,信号识别难度较大;超声导波在管道结构轴向传播受到覆土的影响,能量衰减严重,且能量能够从结构泄漏到覆土,但是不能从覆土传播回管道结构。