航空铝试块疲劳裂纹相控阵超声成像检测

表面疲劳裂纹扩展可导致结构失效,利用相控阵超声成像技术监测疲劳裂纹,获取结构完整性评价所需裂纹信息,可及时对结构失效提出安全预警。采用三点弯曲疲劳试验法在航空铝试块上生长疲劳裂纹,对裂纹开口面材料进行逐步切削来获得不同长度的疲劳裂纹,利用相控阵超声全矩阵采集(FMC)和全聚焦方法(TFM)获得的裂纹尖端和开口图像信息来监测裂纹扩展和测量裂纹长度,并测试了相控阵超声探头放置位置、裂纹张开/闭合、裂纹表面粗糙度对超声成像检测效果的影响。研究结果表明:相控阵超声探头从裂纹侧面入射检测能更好地对裂纹进行超声成像,并真实反映材料内部裂纹扩展前缘形貌。当疲劳裂纹长度大于3倍超声波长时,裂纹尖端和开口图像完全分离,相控阵超声全矩阵采集和全聚焦成像技术可有效测量裂纹长度,测量误差小于0.2 mm。相比裂纹张开时,疲劳裂纹闭合效应会使裂纹尖端超声图像信号减弱4.5 dB,长度测量值小0.6 mm。      

基于涡流阵列传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属螺栓连接结构疲劳裂纹实时监测的需求,提出了一种基于柔性平面涡流阵列传感器的飞机金属结构疲劳裂纹监测方案,通过半解析建模对传感器的工作特性进行了研究,搭建了监测系统并通过试验对方案可行性进行了验证.半解析模型结果表明传感器感应通道与激励通道的相位差和幅值比随提离距离及被测试件电导率的变化曲线具有单调性,且幅值比变化大,敏感度高.程序载荷谱作用下2A12-T4铝合金试件疲劳裂纹监测试验结果表明:将各通道幅值比变化曲线中的拐点作为特征点,传感器通道1能对累积损伤进行监测,通道2,3,4能对疲劳裂纹扩展长度进行定量监测,监测精度达到1 mm.所提出的柔性平面涡流阵列传感器能够实现对疲劳试件从累积损伤到疲劳裂纹扩展整个寿命周期的监测.     

基于涂层传感器的金属结构疲劳裂纹监测

针对飞机金属结构在服役过程中的裂纹扩展实时监测需求,提出一种现代表面技术与电位法原理相结合的疲劳裂纹监测研究方案.在结构易出现裂纹的热点部位制备了一种具有绝缘隔离层、导电传感层和封装保护层3层结构的裂纹监测涂层传感器.然后进行了疲劳裂纹监测试验,结果表明:通过分析涂层传感器电阻(电位)的变化可以实现对2A12-T4铝合金连接结构多个部位的裂纹同时进行有效监测.此外,还对表面制备涂层传感器的试样与原始试样的疲劳特性进行了对比研究.结果表明:应用现代表面技术在2A12-T4铝合金表面制备涂层传感器,对其疲劳性影响甚微.     

基于AQSSE方法的基础隔震结构损伤识别

提出自适应二次误差平方和(AQSSE,Adaptive Quadratic Sum-Squares Error)方法对基础隔震结构进行在线损伤识别实验研究.建立基础隔震结构实验模型,进行振动实验.实验过程中采用一套刚度元件装置在线模拟结构损伤,测量模型加速度响应和位移响应,基于测得的加速度信号和AQSSE方法在线识别基础隔震结构的参数和位移,并追踪参数的变化,从而识别结构损伤.研究结果表明:在两种典型地震波激励下,通过不同时刻的刚度突变模拟结构损伤,AQSSE方法得到的结构参数值与有限元分析结果一致,且识别得到的位移曲线与实验测量的位移曲线吻合良好,验证了AQSSE方法在基础隔震结构参数识别与损伤追踪中的有效性和准确性.     

变更载荷谱情况下的耐久性分析技术与应用

针对全尺寸飞机结构疲劳(耐久性)试验过程中更改载荷谱情况下对全尺寸结构疲劳试验机(单机)进行耐久性评定的需求,基于耐久性分析的概率断裂力学方法和改进的裂纹萌生方法,提出了综合不同谱下耐久性试验数据集确定描述结构细节原始疲劳质量的当量初始缺陷尺寸分布的方法,给出了载荷谱变更情况下计算各应力区裂纹超越概率的损伤累加方法,从而建立了能够准确预测载荷谱变更情况下结构经济寿命的耐久性评定方法.这种方法已成功应用于某型飞机结构全尺寸试验中更改载荷谱情况的耐久性评定,有着重要的工程应用价值.      

单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能影响

钛合金蜂窝夹层结构在制备或使用过程中可能会产生面板裂纹损伤。采用试验和有限元结合的方法研究了单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能的影响。结果显示:单侧面板裂纹损伤会明显降低钛合金蜂窝夹层结构面板弯曲强度，弯曲强度近似随裂纹长度的增加而线性降低；有限元模型能够准确预测结构的破坏模式和破坏强度，预测得到的面板弯曲强度与试验结果最大偏差仅为6%。采用的有限元方法可用于含面板裂纹损伤的钛合金蜂窝壁板结构弯曲性能的工程预估。      

点阵夹芯结构非接触式损伤成像研究

针对点阵夹芯结构的脱焊等损伤问题,提出了基于高频动态响应的非接触式损伤成像技术,根据无基线损伤指标分析结构高频响应,实现脱焊损伤成像。数值仿真中,依据局部共振理论,以损伤区域低阶固有频率作为中心频率计算结构在声场激振下宽频段内振动响应,采用无基线损伤指标实现损伤成像,由损伤成像结果准确识别脱焊损伤位置;试验中,采用扬声器激振,扫描时激光测振系统进行全场振型拾取的非接触式试验测量方案,成功识别脱焊损伤的位置。验证了非接触式成像技术对点阵夹芯结构脱焊损伤检测的适用性与可行性,实现了无附加结构质量、无健康基准信号下的损伤识别。     

基于EMT采用FEM研究含裂纹介质中弹性波传播机制

了解和掌握弹性波在含有裂纹介质中的传播规律是开发利用页岩气等非常规油气资源中的关键科学问题.本文基于数值模拟的优点,采用商用有限元软件Nastran模拟弹性波在含裂纹介质中的激发及传播方式,分析了弹性波在该介质中裂纹微结构(密度和纵横比)对弹性波传播动力学特性的依赖程度.结果表明:有限元方法(FEM)可以用于该问题的研究;Hudson等效介质理论(EMT)不适用泊松比近0.5的材料;裂纹密度、纵横比的增大会减小纵波(P波)波速值,以及衰减位移时域响应的首波振幅,且裂纹密度对于该材料的各向异性的影响要远大于纵横比的作用.      

腐蚀环境下多裂纹结构的概率损伤容限分析

一般环境下疲劳多裂纹结构的概率损伤容限分析方法已经比较成熟.为满足恶劣环境下工作的老龄飞机结构疲劳可靠性评定的需要,尝试建立腐蚀环境下疲劳多裂纹结构的概率损伤容限分析方法.通过综合考虑空中飞行腐蚀和裂纹扩展随机性的影响,采用对数正态随机变量模型描述裂纹扩展过程,得到可靠度-寿命曲线.通过实例,验证了方法的可行性.     

一种功能梯度Timoshenko梁的损伤识别方法

为了获得功能梯度材料的高精度损伤识别方法,本文基于动力学方法,通过对状态空间变量进行变量替换,求得了沿轴向指数分布的功能梯度Timoshenko梁的传递矩阵,通过分析裂纹对结构局部柔度的影响,采用扭转弹簧模拟裂纹对结构局部柔度的贡献,建立了功能梯度Timoshenko梁的表面裂纹传递矩阵,并且推导了复杂边界条件下多跨梁的理论模型。通过将非线性方程组转化为单一目标函数优化问题,并将增广拉格朗日算法与差分进化算法相结合对结构进行损伤识别。计算实例表明,本文提出的方法具有精度高、收敛快等特点,且适用于复杂边界条件下多损伤模型的损伤识别。      

面向综合环境监测的星载SAR技术发展

针对中国微波遥感对地观测在信息维度、反演精度、观测效率和体系架构等方面存在的问题,基于国家重点研发计划“星载新体制SAR综合环境监测技术”的研究内容与成果,探讨了面向综合环境监测的若干未来星载SAR技术发展。在超大幅宽成像方面,提出分段渐变重频时序设计方案和基于最优线性无偏估计的低过采样变重频数据处理算法,实现了跨盲区大幅宽星载SAR成像;在宽幅星载SAR高灵敏度成像方面,提出中频数字波束合成高效星上实时处理架构和加权因子快速生成算法,采用16通道机载飞行试验数据验证,图像信噪比提升约112dB;在多极化星载SAR成像方面,分别提出一种简缩极化分解算法及混合全极化方位模糊抑制方法,在P/L波段机载飞行试验中得到验证;在高精度干涉SAR技术方面,提出基于改进相位补偿方案的层析SAR处理方法,利用P波段全极化层析SAR数据验证,获得优于0.9m的森林高度反演精度;在综合环境监测星座架构设计方面,针对广域地表高程、地表形变、海浪谱能量、洋流速度和生物量应用,完成品质因数达100的高分宽幅SAR卫星方案,其观测效能和观测维度较目前在轨SAR卫星有大幅提升。     

Multipath Separation-Direction of Arrival (MS-DOA) with Genetic Search Algorithm for HF channels

Direction-of-Arrival (DOA) defines the estimation of arrival angles of an electromagnetic wave impinging on a set of sensors. For dispersive and time-varying HF channels, where the propagating wave also suffers from the multipath phenomena, estimation of DOA is a very challenging problem. Multipath Separation-Direction of Arrival (MS-DOA), that is developed to estimate both the arrival angles in elevation and azimuth and the incoming signals at the output of the reference antenna with very high accuracy, proves itself as a strong alternative in DOA estimation for HF channels. In MS-DOA, a linear system of equations is formed using the coefficients of the basis vector for the array output vector, the incoming signal vector and the array manifold. The angles of arrival in elevation and azimuth are obtained as the maximizers of the sum of the magnitude squares of the projection of the signal coefficients on the column space of the array manifold. In this study, alternative Genetic Search Algorithms (GA) for the maximizers of the projection sum are investigated using simulated and experimental ionospheric channel data. It is observed that GA combined with MS-DOA is a powerful alternative in online DOA estimation and can be further developed according to the channel characteristics of a specific HF link.     

基于勒让德正交多项式法的反射/透射特性研究

为研究薄层材料力学性能的声学检测方法，基于勒让德正交多项式法，利用液/固边界条件与波动控制方程，构建线性无关方程组并求解了界面处的反射/透射系数。分析截止项阶数对求解结果的影响，寻找不同频厚积下截止项阶数的临界值，并根据该临界值求解反射/透射系数的角度谱与频谱，与传递矩阵法进行了比较，以此验证了该理论模型的准确性。超声波斜入射薄层材料板并形成Lamb波，其达到稳态时的频散特性与反射特性存在内在联系，根据Snell定律并运用勒让德正交多项式法求解频率-相速度-反射系数三维曲面，与Disperse得到的频散曲线仿真结果进行比较，证明该理论模型对反射系数的求解结果符合Lamb波频散特性。通过采集无试样时的参考信号，降低了声波传播过程中衰减对实验结果的影响。搭建了反射与透射实验系统，对不同入射角度下反射与透射系数的频谱进行了测量并与相应的理论结果进行了对比，验证了该理论所得结果的准确性。实现了声反射/透射系数的非勘根求解，为薄层材料力学性能的无损检测提供了理论基础与实验指导。      

A new technique for direction of arrival estimation for ionospheric multipath channels

A novel array signal processing technique is proposed to estimate HF channel parameters including number of paths, their respective direction of arrivals (DOA), delays, Doppler shifts and amplitudes. The proposed technique utilizes the Cross Ambiguity Function (CAF), hence, called as the CAF-DF technique. The CAF-DF technique iteratively processes the array output data and provides reliable estimates for DOA, delay, Doppler shift and amplitude corresponding to each impinging HF propagated wave onto an antenna array. Obtained results for both real and simulated data at different signal to noise ratio (SNR) values indicate the superior performance of the proposed technique over the well known MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) technique.     

含间隙非线性机翼跨声速颤振时滞反馈控制

颤振主动控制会引入时滞,对气动弹性系统闭环稳定性具有显著影响。针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制多集中在亚、超声速域,采用线性气动力分析的研究现状,结合现代飞机大都以跨声速巡航、控制面偏转为作动器进行主动控制的应用特点,发展了考虑结构间隙非线性,基于气动力降阶模型的跨声速颤振时滞反馈主动控制方法。首先,以白噪声为激励信号,辨识得到跨声速下非定常气动力降阶模型,与间隙非线性结构模型耦合,构建被控对象状态空间模型;然后,通过一种含积分项的状态变换将输入信号存在时滞的被控系统转化为无时滞的系统;最后,采用最优控制理论设计最优时滞反馈控制。仿真结果表明:对于含时滞的系统,若施加不考虑时滞影响的控制方法,则无法抑制颤振,所提控制方法的有效性不受时滞大小的影响,可有效抑制颤振的发生。      

燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命预测方法

微动损伤使航空发动机榫连接结构疲劳寿命显著降低。以钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构为例，提出一种适用于复杂结构微动疲劳全寿命预测方法。基于修正的Manson-McKnight方法和多轴疲劳理论，疲劳损伤参数由等效应力参数（ESP）表征，微动疲劳裂纹萌生位置和成核寿命通过有限元分析（FEA）和ESP预测。基于断裂力学理论和最大周向应力准则，提出微动疲劳裂纹扩展数值模拟方法，建立微动疲劳扩展寿命与裂纹长度函数关系，依据裂纹终值长度预测微动疲劳扩展寿命。结果显示:钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳裂纹扩展角预测值与实验值均为18°，裂纹生长方向预测值与实验值相符；微动疲劳全寿命（成核寿命+扩展寿命）预测值在实验值的2倍分散带内；最大拉伸载荷对榫连接结构的微动疲劳全寿命影响显著，在相同应力比下，最大拉伸载荷从18 kN变化到24 kN，钛合金Ti-6Al-4V燕尾榫连接结构微动疲劳全寿命降低1个数量级。      

伪多源采样复域FastICA冲击定位算法

使用传感器阵列对材料结构冲击损伤进行定位,有助于及时发现损伤及潜在威胁,保障结构安全性。采用盲源分离(BSS)对传感器阵列信号进行预处理,提出单通道伪多源采样方法,利用每个传感器的分时段信息构建该传感器多源观测信号作为复域FastICA算法的输入,分离出每个传感器观测到的带有相位信息的冲击信号;结合阈值时延定位方法求解平面冲击事件的坐标。理论推导和数值仿真验证了本文设计的联合冲击定位算法的有效性。冲击定位平台上的实验结果表明,联合冲击定位算法可以从冲击-振动混合信号中分离出冲击信号,提高阵列传感器冲击定位的时延分析准确性。同时对传感器数量少于源信号的欠定BSS问题提供了一种解决方案。