结构健康诊断中基于兰姆波的损伤检测技术的可靠性研究

【摘要】： 结构健康诊断是指一个系统,该系统可以通过探测和解释结构的‘不利变化’或‘损伤迹象’来提高损伤诊断的可靠性并且降低生命周期成本。本文为了提高结构健康诊断中基于兰姆波的损伤检测技术的可靠性和稳健性,我们从两个方面进行了研究。第一,我们提出了一种新型的高精度数值方法来研究兰姆波在含有损伤的复杂结构中传播特性。第二,我们用这种数值模拟方法验证了基于兰姆波的损伤检测技术的可靠性。另外,为了提高该技术的可靠性,我们研究了兰姆波在金属和复合材料中的传播特性。该研究使用了含损伤的铝板和含脱层的碳纤维增强复合材料梁。 首先,我们先介绍基于切比雪夫伪谱有限单元的数值模拟方法,该方法是专门用于解决Mindlin板问题的。该单元用切比雪夫多项式作为形函数幷使用切比雪夫-高斯-诺伯特点作为单元节点。一种由我们提出的,不常用的数值积分方案,即切比雪夫点积分方案(CPQ),被用来生成单元质量矩阵和刚度矩阵。由于切比雪夫多项式的正交性和积分点与单元节点重合的特点,集中单元质量矩阵被幸运的获得。由于单元质量矩阵的形成,我们可以使用显式积分方法来求解运动方程,这将大大的降低计算成本并且节约计算时间。为了估计这种新单元的精度,另一种常用积分方案,即高斯-勒让德积分方法(GLEQ),被用来代替CPQ来生成单元刚度矩阵。但用于生成单元质量矩阵的积分方案依旧是CPQ。通过数值计算我们调查由上面两种积分方案生成的刚度矩阵对静态和动态响应分析精度的影响。虽然理论上GLEQ的积分精度要比CPQ要高,但是通过与ABAQUS结果进行对比,结果显示对于任何厚度的板,CPQ都表现的要比GLEQ要好,尤其对厚板其优势更明显。此外,对一维波传播问题的完美解决展现了新单元的效能。 接下来,我们用上面提出的数值模拟方法来研究基于兰姆波的损伤检测技术。A0波是兰姆波的反对称基波,由于其已被证明适合探测小的损伤,因此本研究决定使用A0波。通过使用36节点的伪谱Mindlin板单元,我们把得到的数值结果与实验数据进行对比,成功地证明了基于兰姆波的损伤检测技术是可靠的。关于实验数据的获取,对于铝板我们采用超声波传播的可视化技术得到兰姆波的传播图像,对于碳纤维增强复合材料梁我们提出了一种用压电激发器和传感器产生和接收纯A0波的方法来得到兰姆波的传播波形。另外,我们在研究中发现从损伤传来的反射波的强度是影响基于兰姆波的损伤检测技术可靠性的重要因素。对于同一个损伤,从损伤反射回的波越强,检测技术的可靠性就越高。为了提高该技术的可靠性,通过改变铝板中输入波参数,例如,周期数,激发频率,兰姆波的入射角度等等,我们揭示了这些参数对从损伤传来的反射波强度的影响。对碳纤维增强复合材料梁,我们研究了激发频率对从脱层反射回来的波的强度的影响。通过大量的数值计算,我们得到各种长度脱层的激发频率—反射波强度曲线。从曲线中我们获得了最优激发器的使用条件,即激发器的激励频率,在该频率下可以产生最强的脱层反射波。为了进一步了解激发频率与从脱层传来的反射波的强度之间的关系,我们建立脱层分析模型来估计局部脱层区域的自然频率,最终我们发现所有的最优激发频率都接近局部脱层区域的自然频率。