基于模态应变能识别复合材料结构损伤的遗传-神经网络法

提出了一种基于模态应变能识别复合材料结构损伤的遗传-神经网络法.采用单元模态应变能改变率作为结构损伤标识量,对损伤结构进行损伤识别仿真.采用混合编码遗传算法对BP神经网络进行拓扑优化,构成遗传-神经网络,并使用其识别复合材料机翼结构损伤的位置和程度. 算例表明,本方法具有高效、稳定的特点,有着很好的推广应用价值.     

结构健康监测系统中的频率响应方法

本文就频率响应方法在结构健康监测系统中的应用进行研究。运用有限元方法计算了圆形通孔与分层两种损伤对复合材料结构动态特性的影响,尝试利用RBF(径向基函数)神经网络对损伤进行识别与定位,并取得不错的结果;对频率响应方法在结构健康监测系统中应用的可行性及其在健康监测系统中的应用进行讨论。     

CFRP层压板缺陷同侧空气耦合超声兰姆波特征成像检测研究

为了实现飞机碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)层压板在役检测,采用同侧空气耦合超声兰姆波特征成像检测的方法对其缺陷进行检测。通过0.4 MHz空气耦合超声换能器在CFRP层压板同侧激励和接收A0模态兰姆波,以2个相互垂直的方向对缺陷部位进行D扫描。基于时域、频域、时频域的方法构建损伤指数,以此作为兰姆波特征成像的特征参量,通过对损伤指数进行全乘数据融合。研究结果证实该方法可以得到CFRP层压板缺陷的特征图像,实现缺陷的定位和定量。     

基于GRNN-ELM的飞机复合材料结构损伤识别

飞机结构的损伤严重影响着飞机的飞行安全,为了解决飞机复合材料结构损伤难以有效识别问题,本文提出一种基于广义回归神经网络(General regression neural network,GRNN)与极限学习机(Extreme learning machine,ELM)组合的飞机复合材料结构损伤识别新方法。首先对飞机复合材料层合板进行冲击,而后对其进行疲劳拉伸试验,通过优化布局在复合材料层合板上的光纤光栅传感器募集应变信息,并对其进行预处理。采用变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)对募集的应变信息进行自适应分解,得到多个基本模式分量(Intrinsic mode function,IMF)。计算各阶IMF分量的奇异熵,通过核独立主元分析(Kernel independent component analysis,KICA)方法对奇异熵进行特征融合,构建融合特征向量。采用融合特征向量建立基于GRNN-ELM的复合材料结构损伤识别模型,通过试验对损伤识别模型的有效性进行了验证,并分别与所构建的ELM和GRNN损伤识别模型的识别结果进行比较。结果表明,该方法能有效对飞机复合材料结构损伤进行识别,具有很好的工程应用价值。     

基于Lamb波与时频分析的复合材料结构损伤监测和识别

采用将Lamb波和时频分析相结合的方法,对碳纤维增强复合材料层板结构进行在线的连续监测。首先研究Lamb波在复合材料层板结构中的传播问题,利用Mindlin板理论建立了低阶反对称Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角变化的频散关系;然后用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析,提取特征信息,测量出Lamb波在结构中实际传播的飞行时间和群速度,并与理论结果相比较;在此基础上结合理论与实际量测信息,考虑各向异性对Lamb波速度的影响,使用遗传算法确定损伤位置,并估算损伤尺寸。实验研究表明了本文方法的可应用性和有效性。     

薄板声——超声检测信号的时频分析研究

本文以兰姆波的群速度-频厚积频散曲线为基础,采用基于短时傅立叶变换的时-频分析方法,对薄板中传播的声-超声信号进行了处理分析。对厚度为2 mm薄钢板的声-超声检测实验结果证实,在声-超声检测形式下激发的超声波的主要成分是多模式的兰姆波。与现有文献中介绍的基于时间域识别的薄板声-超声信号分析方法相比,时-频分析方法不仅可以很好地识别兰姆波模式,而且可对各模式波的能量成分进行分析。     

压电传感元件在智能结构中的应用研究

研究了压电材料作为传感元件在智能结构中的应用。开发了基于锆钛酸铅压电陶瓷传感元件的智能结构实验系统，利用压电传感器对复合材料板结构的载荷变化进行监测并对传感器组的冲击定位功能进行了试验。文中采用模式识别技术，成功地实现了结构连接损伤出现的判别和损伤位置的确定     

加载速率对复合材料拉伸力学性能影响研究

复合材料结构在特殊载荷作用下表现出不同的力学承载性能,这一因素将对其在不同速度载荷作用下的力学性能造成一定的影响,了解并研究复合材料结构在不同加载速率作用下的力学性能及内部缺陷和损伤演化规律,对于正确评估其承载性能具有现实意义。对同批次玻璃纤维编织复合材料试件进行三种加载速率作用下的拉伸力学性能试验,通过研究复合材料试件承载性能、损伤状态与加载速率的关系,分析了内部损伤演化对承载能力的影响。采用声发射技术监测复合材料试件损伤过程,分析了声发射信号能量与加载速率的关系,同时从声发射波形历程和破坏时声发射信号特征角度分析了玻璃纤维编织复合材料损伤演化规律。结果表明,随加载速率的增加试件抗拉强度增大;加载速率高低影响复合材料内部损伤的扩展行为,在较低的加载速度下,内部损伤有较长的时间进行充分扩展,从而使复合材料结构的完整性降低,表现为破坏时的部分结构承载;在较高的加载速率下,内部损伤扩展不均匀,反而保持了复合材料结构的相对完整性,表现为较高的拉伸强度。     

压电智能结构的实验研究

在复合材料表层铺设压电元件，利用压电元件能够实现力学量和电学量之间相互转化的独特性能，可将其用作传感器和驱动器，赋予材料和结构传感及动作的能力。本研究的压电材料采用锆钛酸铅压电陶瓷，基体材料采用玻璃纤维－环氧树脂复合材料，与外部信号采集和控制系统结合，构成了智能结构实验系统。本文对这一系统的损伤诊断和损伤主动控制功能进行了实验研究。该结构一方面可对冲击、过载等可能造成损伤的原因进行监测，并诊断裂缝、连接松动等损伤的产生和位置，另一方面还可自适应地驱动结构中的压电驱动器，改善结构应力状态，防止损伤的扩展。     

基于光纤Bragg光栅的飞机异种金属连接件腐蚀监测技术研究

针对飞机"铝合金板材+钢螺钉"异种金属连接结构易腐蚀的问题,采用光纤Bragg光栅应变传感技术研究了飞机连接结构模拟件的腐蚀实时监测方法。结果表明,运用理论分析和参考光栅方法剔除温度变化对光栅波长的影响,使得光栅波长变化量可以较好的描述将不同时间下腐蚀引起的"枕垫效应"损伤程度,提高了实时腐蚀监测数据的精度,建立了腐蚀损伤与光栅波长变化量的关系。     

复合材料结构健康主动监测中激励信号的优化

利用L am b波频散方程及其数值求解得到的频散曲线,对L am b波模式及激励信号中心频率范围进行预测。建立了试验测试系统,利用集成在复合材料层合板上的PZT压电陶瓷片作为驱动器和传感器,激励并接收结构中激发的L am b波信号。对具有不同函数形式、中心频率和波峰数的信号激励,结构中传播的L am b波模式进行试验研究,为激励信号的选择与优化提供依据。利用H ilbert-Huang变换及H ilbert谱提取传感器信号特征,提出了L am b波信号在结构中传播时的能量衰减率和损伤敏感度两个考察指标,并据此对激励信号进行优化。实验结果表明,优化后的激励信号在结构中能激发出单一模式的L am b波(S0模式),有效地抑制了多模式现象的出现。同时,激发出的L am b波具有最低的能量衰减和最高的损伤灵敏度,响应信号特征明显,便于损伤识别。     

基于线性频散信号构建的复杂航空结构Lamb波高分辨率损伤成像

在对复杂航空结构的Lamb波损伤成像中,Lamb波频散容易使信号波包发生扩展和变形,从而降低信号的分辨率,并最终影响损伤监测结果,因此Lamb波频散补偿已成为急需解决的一个重要问题。目前常用的频散补偿方法需要理论计算Lamb波频散曲线,难以适用于复杂航空结构。本文利用现场直接测得的相对波数曲线进行线性频散信号构建(Linearly-dispersive signal construction,LDSC)的频散补偿处理,解决了航空复杂结构中Lamb波频散难以补偿的问题。然后,将LDSC用于延迟叠加损伤成像中,以实现高分辨率损伤成像。为了降低多反射的复杂航空结构形式对成像结果的影响,引入了1.5波峰正弦调制的准宽带Lamb波激励波形。最后通过在真实复杂的某型飞机大梁结构上的实验证明了所提方法的有效性。     

Quantitative Rectangular Notch Detection of Laser-induced Lamb Waves in Aluminium Plates with Wavenumber Analysis

It is difficult to quantitatively detect defects by using the time domain or frequency domain features of Lamb wave signals due to their dispersion and multimodal characteristics.Therefore,it is important to discover an intrinsical parameter of Lamb waves that could be used as a damage sensitive feature.In this paper,quantitative defect detection in aluminium plates is carried out by means of wavenumber analysis approach.The wavenumber of excited Lamb wave mode is a fixed value,given a frequency,a thickness and material properties of the target plate.When Lamb waves propagate to the structural discontinuity,new wavenumber components are created by abrupt wavefield change.The new wavenumber components can be identified in the frequency-wavenumber domain.To estimate spatially dependent wavenumber values,a short-space two-dimensional Fourier transform(FT)method is presented for processing wavefield data of Lamb waves.The results can be used to determine the location,size and depth of rectangular notch.The analysis techniques are demonstrated using simulation examples of an aluminium plate with a rectangular notch.Then,the wavenumber analysis method is applied to simulation data that are obtained through a range of notch depths and widths.The results are analyzed and rules of the technique with regards to estimating notch depth are determined.Based on simulation results,guidelines for using the technique are developed.Finally,experimental wavefield data are obtained in aluminium plates with rectangular notches by a full noncontact transceiving method,i.e.,laser-laser method.Band-pass filtering combined with continuous wavelet transform is used to extract a certain frequency component from the full laser-induced wavefield with wide band.Shortspace two-dimensional FT method is used for further processing full wavefield data at a certain frequency to estimate spatially dependent wavenumber values.The consistency of simulation and experimental results shows the effectiveness of proposed wavenumber method for quantitative rectangular notch detection.     

应用非线性高阶谐波衰减和尾波干涉监测高温作用后水泥制品的损伤演化

非线性高阶谐波和尾波波速变化均能够反映水泥材料内部微结构的应力变化。利用高阶谐波和尾波干涉实验测量系统,对引入高温作用后的3类不同粒径共6块水泥试样进行单轴加载的损伤演化实验,并与无高温作用的完整试样的实验结果进行对比。结果表明,从初始状态到25%抗压强度的过程中,高温作用后的试样的谐波幅值和尾波波速变化出现明显增强的现象(谐波幅值最大增幅约20%),而无高温作用的完整试样的谐波幅值和尾波波速变化较为平稳(谐波幅值最大增幅约5%);在达到65%抗压强度的过程中,高温作用后的试样的谐波幅值和尾波波速变化急剧增大(谐波幅值最大增幅约100%),且粒径较大的试样的增幅高于粒径较小的试样,而无高温作用的完整试样的谐波幅值和尾波波速变化的增幅较小(谐波幅值最大增幅约10%);当抗压强度超过75%以后,高温作用后的试样的谐波幅值和尾波波速变化急剧衰减(谐波幅值最大衰减幅度约140%),而无高温作用的完整试样的谐波幅值和尾波波速的最大衰减幅值在40%以内。基于以上观测结果对高温作用后水泥制品损伤演化的物理机制以及这两类监测方法的适用性进行了讨论。     

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。     

环形液池浮力-热毛细对流表面振荡现象的临界温差

对于上部开口的环形液池,加载径向温度梯度将使气液接触面上表面张力分布不均匀,耦合于地面的重力作用,将会驱动薄层流体形成浮力-热毛细对流.当径向温度差△T达到某一临界值△Tc时,一定厚度的液层表面就会出现具有一定规律的振荡现象.实验采用高精度激光位移传感系统,测量了液池表面某点位移随液层厚度h和径向温差△T的变化曲线,讨论了浮力-热毛细对流表面振荡的临界温差及两种驱动力的耦合问题,进行了表面畸变参数的无量纲分析,考虑了起始环境温度对临界温差的影响,推导了振荡相对较强时液层的厚度范围.     

谐振直流环节逆变器的过零控制

谐振直流环节逆变器的直流环节输出电压为周期性回零的直流脉冲波形，逆变器功率管为实现零电压开关，除了要满足一定的开关规律外，还必须控制在直流脉冲波形的过零处改变开关状态，本文对逆变桥功率管的过零控制作了详细分析，分别以谐振直流环节逆变器和结实型谐振直流环节逆变器为例，讨论了过零控制信号的两种检测方法，直接检测和由控制逻辑转换检测，由分析可见：利用实际电路控制信号之间的逻辑关系获得过零信号简洁，可靠。根据逆变器谐振脉冲保持器的工作原理，提出利用采样保持电路可实现功率管的过零触发，给出了实验波形。     

Lamb波双面激励方法及其在近邻损伤监测中的应用

针对Lamb波的多模式和频散特性,从理论和实验两方面研究了Lamb波双面激励方法,并针对近邻损伤进行了监测研究。研究结果表明:与传统的单面激励方法相比,该激励方法能够抑制Lamb波的多模式特性,在频率较低的情况下可实现基本对称或反对称模式的产生,提高了Lamb波的激励效果,便于监测信号的分析。另外,相对于通过调节激励频率产生特定Lamb波模式的方法,该激励方法具有一定的频率可调性,能有效改善Lamb波波包的空间分辨率,增强Lamb波对多个近邻损伤的监测能力。