导波传播：自由与锚固锚杆的三维数值模拟研究

本文档深入探讨了锚杆锚固结构中导波传播的数值模拟，发表于2009年的太原理工大学学报。研究者张昌锁、李义以及Steve ZOU利用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的方法，针对自由锚杆和锚固锚杆的波传播特性进行了深入研究。他们发现，在常规的测试频率范围10-100kHz内，锚杆中的波是边界条件相关的导波，这意味着波速随频率的不同而有所变化。这与传统的一维杆体简化模型不同，因为在实际应用的高频激发下，波需要考虑与锚杆边界的影响，形成一种三维轴对称的导波现象。 作者还特别关注了数值模拟的精度与网格密度的关系。通常情况下，模拟体波时需要确保波传播方向上的单元数(N值)大于20，而在模拟杆状结构如锚杆中的导波时，这个要求提高到了N值大于30。此外，模拟过程中，径向方向的N值相对于轴向方向需要更密集，这是因为导波的传播受到边界条件的显著影响。对于具有不同频散特性的波，所需的N值会根据频散程度增加，意味着频率越高、频散越大，需要的网格密度就越高。 论文的关键发现是，实验室对自由锚杆和锚固锚杆的实测数据与数值模拟结果高度一致，证实了这种导波理论在锚杆质量检测中的实用价值。锚杆锚固质量的无损检测已经成为当前科研的重要课题，特别是当涉及到结构动力响应时，理解和准确模拟导波行为对于评估锚杆性能至关重要。 这篇论文为锚杆锚固结构中的导波传播提供了详细的理论和数值分析框架，这对于优化锚杆设计、提高工程质量以及开发有效的无损检测方法具有重要的科学贡献。