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基于压电阵列的复合材料结构冲击轻量化监测研究

任元强  
【摘要】:复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度大等优点,在航空领域取得了越来越广泛的应用,但其冲击抵抗性低的特点使得航空复合材料结构在服役过程中容易因遭受冲击而造成内部层间脱层、纤维断裂等不可目视的损伤,严重威胁结构的服役安全。基于压电传感器阵列的冲击监测方法可以实时监测复合材料结构上的冲击事件,保障结构的服役安全并降低维护成本,是最有前景的复合材料结构冲击监测研究方向之一。但冲击是一种瞬时事件,在航空结构的整个服役周期内都有可能发生,需要对其进行机载在线监测,而航空应用对监测系统的重量和体积等往往有着十分严格的限制,因此迫切需要开展复合材料结构冲击的轻量化监测研究。本文面向复合材料结构的实际工程应用,围绕航空复合材料结构冲击的轻量化监测需求,采用轻量化的压电传感器阵列和监测信号传输方法,对当前基于压电阵列的复合材料结构冲击轻量化监测研究中存在的关键技术问题开展了深入研究。主要研究工作及创新如下:(1)开展了基于无线传感器网络的冲击轻量化监测方法研究,为实现大尺寸、多部位复合材料结构的在线冲击组网监测,提出了基于能量加权因子的复合材料结构冲击区域定位方法,在整个网络监测范围内全局表征各个冲击监测区域上的冲击能量分布大小,解决了采用多个冲击监测节点进行组网监测时存在的不同节点间的定位冲突问题以及中间子区域定位盲区的问题;并在此基础上结合无线冲击监测节点和无线多信道基站节点设计了大规模的无线冲击监测网络拓扑架构,实现了大尺寸、多部位复合材料结构的轻量化在线冲击组网监测。(2)开展了基于密集阵的冲击轻量化监测方法研究,针对复合材料结构在服役中会同时遭受多次冲击或存在多个冲击损伤的多声源问题,研究了基于线形压电传感器阵列(线阵)的多声源导波信号的空间采样原理,提出了多声源波数扫描-合成空间滤波器设计方法,能够在不依赖信号波数的情况下对多声源空间采样信号进行波数滤波,实现了多声源的波数-时间成像,能够准确表征不同声源在线阵上的波数投影和到达时间,并进行了实验验证研究。(3)在多声源波数扫描-合成空间滤波器研究的基础上,结合十字形压电传感器阵列(十字阵)这种轻量化的密集阵列形式开展了多声源空间采样信号的波数-时间图像特征研究,研究了多源信号的特征参数提取方法,并提出了基于十字阵的多声源波数-时间图像至角度-距离图像的自适应回溯映射机制,实现了复合材料结构上多源冲击和多源冲击损伤的可靠成像定位,并分别在碳纤维复合材料板结构和玻璃纤维环氧树脂板结构上开展了方法验证。(4)在真实复杂航空复合材料结构上对本文开展的冲击轻量化监测研究进行了验证:采用某型无人机碳纤维复合材料机翼和碳纤维机翼盒段建立了大规模的无线冲击在线监测网络,对基于能量加权因子的冲击区域定位算法和大规模无线冲击组网在线监测方法进行了验证;在某型飞机机翼变厚度-加筋复合材料油箱结构上对基于十字阵的多声源角度-距离映射成像方法进行了实验验证,实现了真实复杂航空复合材料结构上多源冲击和多源损伤的准确成像定位。


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