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航空材料结构低速冲击健康监测研究

苏永振  
【摘要】:复合材料结构在航空、航天等工程领域获得了日益广泛的应用,其在服役过程中不可避免的要遭受到各种形式的冲击,其遭受冲击后极易产生多种损伤,导致结构承载能力大大降低,对结构的整体破坏和失效形成潜在威胁,因此急需利用结构健康监测技术对复合材料结构进行实时在线的冲击监测。本文从这一工程需求出发,对复合材料结构承受冲击时的冲击荷载和能量识别问题进行了研究,重点对荷载位置识别方法进行了研究。主要研究工作有以下几方面: 首先,介绍了结构健康监测技术和冲击监测的研究背景和意义,给出了本文的研究内容。 第二,分析了声发射技术的主要信号处理技术和定位算法。研究了冲击声发射信号的传播特性,并推导了薄板结构上压电元件聚集电荷的理论计算公式,得到电荷响应与应变之间的关系;按照冲击监测系统的实时性好、使用方便的要求,搭建了冲击监测系统,并对系统的软硬件进行了集成与设计;最后在碳纤维复合材料层合板试件上的实验对该系统进行了功能验证。 第三,针对常规冲击载荷时间历程重构方法的未知参数多,计算任务重的问题,研究了可以减少未知参数数目的冲击载荷时间历程近似方法,将载荷识别问题转化为参数识别问题;研究了基于有限元法和最优化技术的冲击载荷时间历程重构方法;综合三角测量法和冲击载荷时间历程重构方法,提出了冲击载荷位置识别两步法;最后通过有限元模拟的方法和在玻璃纤维/环氧复合材料层合板试件上的冲击实验对所提出的方法进行了验证。 第四,研究了基于阵列信号处理技术的复合材料结构冲击定位方法,将冲击定位问题分为冲击源的波达方向(DOA)估计和冲击源距离估计两步。针对冲击响应信号频率成分复杂,不符合窄带信号模型这一问题,提出了利用小波变换实现冲击源DOA估计的策略;基于Lamb波传播特性,研究了实现冲击源距离估计的方法;最后在多种复合材料试件上进行了实验验证。 第五,基于独立分量分析技术对同时作用在结构上的多冲击源定位问题进行了研究。研究了基于信息最大化方法的卷积混合盲分离的两种网络结构和分离参数自适应算法;提出了利用基于信息最大化方法的反馈型卷积混合盲分离网络结构实现多冲击源定位的方法;通过模拟实验和铝梁结构上的两源冲击实验验证了该方法能较好地解决多冲击源定位问题。 第六,基于主元分析方法对复合材料冲击损伤诊断和能量识别问题进行了研究。根据不同能量大小的冲击所产生的响应信号频谱具有较大差异的特点,提出了将传感响应信号频谱作为判别冲击损伤与识别能量大小的主要特征;通过对响应信号频谱的主元分析,提出了一种新的冲击损伤诊断方法;提出了一种基于主元分析法和BP神经网络的冲击能量大小识别方法。 最后,对全文进行了总结,并对研究中发现的问题和进一步研究方向进行了阐述。


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