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基于Lamb波的航空复合材料板结构损伤识别技术方法研究

冯勇明  
【摘要】:近年来在智能材料与结构领域取得的新进展,使得利用集成在结构中的先进驱动/传感元件网络,在线获取与结构状态相关的信息,识别结构的安全状况成为可能。应用结构健康监测系统及时获取有关结构损伤的性质、程度、分布和演变等信息,对及时做出决策来阻止结构性能的退化和失效,增加飞行安全,降低维护费用具有至关重要的意义。 本文对航空复合材料结构健康监测中的若干技术方法进行研究,采用主动监测的方法,对结构进行在线的连续监测,近乎实时地监测到结构损伤发生和作用的位置。本文的主要研究内容和取得的成果有: (1)对运用Lamb波时间反转法对复合材料板结构损伤监测进行研究。首先采用弹性力学基本方程求导了Lamb波频散方程,建立了Lamb波传播的力学模型,对压电传感器驱动/感应Lamb波的原理进行了深入的探讨,通过有限元数值方法研究了Lamb波在结构中传播的特性;然后研究了Lamb波的时间反转法在复合材料损伤检测中的应用,提出了一种利用Lamb波时间反转法对复合材料结构进行损伤成像的方法;通过建立损伤指标,得到传感器通道的损伤系数,为损伤成像提供基准信息;对工业CT成像中的损伤概率成像算法进行改进,使其适用于无基准信号下的结构健康监测。实验验证所提方法的可行性及有效性。 (2)对运用Lamb波匹配追踪方法的蜂窝复合材料损伤识别技术进行研究。首先详细介绍了匹配追踪方法,针对Lamb波监测方法的特点,提出了字典库为Chirplet原子的匹配追踪方法的快速实现方案,对Lamb波信号进行快速分解,提取相关的特征信息,并证明Chirplet原子能准确地匹配受弥散效应影响发生失真变形的窄带脉冲信号;提出一种基于Lamb波和匹配追踪方法的损伤识别方法,通过有限元仿真的结果加以验证,仿真结果表明匹配追踪方法能有效识别出Lamb波的模态,准确地提取出Lamb波中包含的损伤信息,实现对损伤进行精确定位,通过在各向同性板结构进行验证,实验结果表明匹配追踪方法能有效地分辨出多损伤的散射信号,精确定位损伤。最后将该方法应用于蜂窝夹层复合材料结构的冲击损伤识别中,分别采用椭圆定位技术和损伤成像技术定位冲击损伤位置。 (3)对基于概率统计方法对复合材料损伤监测和识别进行研究,提出一种两步识别方法用于监测并识别环境变化下损伤发生与否及损伤的位置。该方法先采用信号处理方法提取信号的能力特征,通过对比结构损伤前后Lamb波信号的特征得到损伤差异系数,作为损伤指标;再采用概率统计方法来判断该损伤指标是由损伤引起还是由环境变化造成,从而判断结构是否发生损伤;最后采用损伤概率成像算法获取损伤存在的概率图像对损伤的位置和大小进行可视化识别。通过在复合材料层板和加筋结构实验研究以验证所提方法的有效性。


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