激光超声技术在复合材料检测中的应用

激光超声检测技术采用脉冲激光照射的手段激励结构中的Lamb波,可以实现远距离、非接触式的Lamb波传播波场数据测量。针对复合材料在航空领域应用中所面临的安全和可靠性能评估问题,南京航空航天大学开展了基于激光超声技术的复合材料检测研究。采用信号处理方法提取了Lamb波传播特征参数,进行了复合材料的损伤成像、刚度参数识别和疲劳特性评估,取得了理论和试验验证上的进展,为航空领域的复合材料无损检测技术提供了新方法。     

主动Lamb波监测技术中的传感元件优化布置研究

研究了应用主动Lamb波对复合材料结构试件进行损伤检测时的压电元件的布置优化问题.首先,通过实验选取了不同中心频率的激励信号对结构板进行激励,根据Lamb波响应信号的分析结果对各个压电元件之间的距离进行优化;其次,通过计算S0模式Lamb波的群速度获得边界反射的到达时间,将计算得到的边界反射信号的发生时刻与实际情况进行对比,结果吻合一致,据此可对压电元件进行抑制边界反射影响的优化布置.将压电元件的优化布置应用在具体的损伤检测实验中,实现了复合材料上的一维结构脱层损伤定位.     

复合材料胶接损伤的指数监测方法

为了监测复合材料胶接损伤,基于主动Lamb波和时频分析,提出了一种复合材料损伤监测的指数法。通过对Lamb波信号进行时频分析,提取波形包络。通过计算得到损伤散射信号,选取对损伤敏感的直达波波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示。该方法不用选择特定的Lamb波模式,解决了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难。同时在复合材料胶接的损伤演化试验中,对该方法进行了应用验证研究。结果表明:该方法可以用于复合材料胶接损伤的定性和定量分析。     

主动Lamb波结构健康监测中信号增强与损伤成像方法

 主动Lamb波结构健康监测技术研究中,损伤散射信号的信噪比是正确稳定地监测出损伤的关键。针对真实工程结构,尤其是针对复合材料板结构健康监测时存在的信号信噪比低下问题,提出了基于时间反转聚焦原理的信号增强与损伤成像方法。根据Lamb波信号传播自身的特性,通过聚焦的方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在碳纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能有效提高有用信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、范围等特征。     

基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法

复合材料在航空结构中的应用越来越广,但其遭受外界物体冲击后很容易在内部产生表面不可见损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线监测十分必要。基于压电传感器（PTZ）和Lamb波的冲击定位方法是目前的研究热点,但是Lamb波信号在复合材料结构中传播的各向异性给冲击定位带来了困难。本文将空间滤波器算法推广到复合材料结构的冲击监测应用中,研究了与波速无关的空间滤波器冲击定位原理,提出了基于二维线性压电传感器阵列和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法。该方法首先采用Shannon连续复数小波变换提取并构建宽带冲击响应信号中的窄带Lamb波解析信号;然后利用波速无关的空间滤波器算法计算出结构冲击相对于各条线性压电传感器阵列的角度;最后使用冲击无波速定位公式计算出结构冲击的位置坐标。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。验证结果表明：该方法可以实现对复合材料结构的冲击进行不依赖信号传播速度的定位,定位误差小于1 cm。     

无参考主动Lamb波结构损伤时反成像监测方法

主动Lamb波损伤监测中的差信号方法获取损伤散射信号容易受到结构和环境等外界因素的影响。针对该问题,提出了无参考信号的损伤成像定位和监测方法;研究了回波式压电阵列的布置方法,并设计采用时间反转窗函数,清除Lamb波监测信号中的直接传播信息和边界反射信号,以截取出内部散射信号;通过控制压电阵列布局、设置窗函数等技术条件,基于时间反转理论中对波源的自适应聚焦原理,直接利用当前状态下的传感信号实现对结构损伤的实时成像、定位与评估,不再需要健康信号作为参考。在玻璃纤维复合材料板上的实验结果表明,该方法能较为准确地实时监测出损伤的位置、范围等特征。     

基于时间反转的复合材料结构损伤成像方法研究

将时间反转理论应用于结构健康监测技术中，可以显著提高Lamb波在板结构中有效成分的能量，从而解决了其低信噪比的问题。同时，利用时间反转对波源的自适应聚焦能力与图像处理技术相结合，提出了通过信号中有效成分的能量聚焦来显示损伤位置和区域的方法。在复合材料板上的实验结果表明，该方法突出了损伤处有用信号的能量，较为准确地对材料结构中的损伤进行了定位。     

Lamb波传播特性研究

应用三维弹性理论对Lamb波频散曲线进行理论建模.在Lamb波主动监测系统中,应用Gabor小波变换理论分析Lamb波信号的时延及相位角,获得了板中Lamb波的相群速度频散曲线.比较理论曲线与实验数据,证明了三维弹性理论建模方法的有效性.     

II型裂纹扩展与绝热剪切带传播的数值对比

通过数值计算的方法,对比绝热剪切带内裂纹扩展和预制II型疲劳裂纹扩展的动态性能参数。分析热塑失稳现象中裂纹的传播与绝热剪切带传播的关系。采用ABAQUS/CAE进行二维模型建立,预制疲劳裂纹和绝热剪切带,分析计算了材料在2种情况的应力应变时间曲线、II型动态应力强度时间历程以及裂纹扩展速度。计算结果表明,预制绝热剪切带与预制疲劳裂纹对于材料的破坏方式影响一致,即裂纹跟随绝热剪切带传播最终导致材料失效。     

基于非频散信号构建的Lamb波高分辨率损伤成像方法

Lamb波损伤成像是结构健康监测的研究热点之一,然而在实际应用中,成像分辨率很容易受到Lamb波频散特性的影响.本文研究了非频散信号构建(ND-SC)的频散补偿方法并用于提高Lamb波成像分辨率.根据频域中建立的Lamb波传感模型,分析了ND-SC原理,并分别按照宽带激励和窄带激励两种情况对ND-SC的实现方式进行了讨论.随后结合经典的延迟叠加算法提出了高分辨率损伤成像方法.针对铝板的实验结果证明了本文提出的ND-SC方法和高分辨率损伤成像方法的有效性.     

基于Lamb波相控阵和图像增强方法的损伤监测

利用Lamb波和超声相控阵理论对结构进行损伤监测。选择合适的低频窄带激励信号,产生单一模式Lamb波,结合超声相控阵技术对结构进行多方位监测。针对原始损伤图像不完美的问题,研究基于点运算的对比度增强方法,改善图像质量,提高图像的可识别度和分辨率。在复合材料板结构和铝板结构中针对不同损伤类型的实验研究证明,运用图像增强技术后的损伤图像表征清晰、识别度高。     

三种时频分析在复合材料无损检测中的应用

随着复合材料的广泛应用和现代信号处理技术的发展,时频分析方法已广泛应用于各类复合材料的损伤检测。将短时傅立叶变换、小波变换和黄氏变换三种时频分析技术经过Matlab编程,结合Lamb波应用于玻璃纤维增强的复合材料层合板的无损检测,并对三种时频结果进行比较与分析。结果表明：上述三种时频分析方法都能进行复合材料的损伤判定,但黄氏变换方法的分析精度更高。     

Z-pinned复合材料层板Ⅰ型裂纹的疲劳扩展

用数值模拟方法研究z-pin增强复合材料DCB层压板Ⅰ型裂纹的疲劳扩展问题。在理论模型中，将z-pin简化为一系列施加在DCB层板上的外力，这些力在裂纹扩展中对裂纹提供桥接力。基于试验观察，桥接力随疲劳载荷的衰减规律可假设为一个分一。段的幂函数。用一个指数函数表示复合材料DCB层板疲劳断裂韧性与疲劳循环次数的关系，并将此作为裂纹扩展的判据。分析结果表明，无论是位移控制模式还是载荷控制模式，z—pin可以有效地降低分层扩展速率。还就z—pin密度，z-pin大小等参数进行了分析研究。     

复合材料损伤的主动兰姆波监测定位方法

首先求解碳纤维复合材料的兰姆（Lamb）波频散方程，得到频散曲线，优选对复合材料分层或脱粘损伤敏感的压电激励模式和激励频率，提出了基于幅值衰减算法的损伤定位方法，通过短时傅立叶变换，将信号转换为时频分布，提出了另一种损伤定位方法；通过附加质量模拟损伤试验，验证、比较了提出的损伤定位方法，该方法具有工程应用价值。     

温度对压电陶瓷传感器信号传输的影响研究

近年来,飞机结构健康监测技术得到了快速的发展,并在航空航天等领域得到了广泛的应用,特别是在碳纤维复合材料结构的状态监控与损伤诊断方面更是明确了功能材料与智能结构的发展趋势。首先分析了航空领域典型的结构健康监测技术,包括模态法、机电阻抗法、超声法、声发射法、Lamb波法,并对其中的Lamb波法进行深入讨论。而后,开展了基于Lamb波技术的温度对压电陶瓷传感器信号传输影响的实验研究。该研究考虑了实验装置及传感器在高温环境下的特性,特制了用于测试压电陶瓷传感器信号传输特性的高温实验装置,将压电陶瓷传感器通过机械方式安装于实验装置上,开展环境实验。分别对五档不同温度下的实验结果进行分析,研究结果表明:温度对压电陶瓷传感器信号传输具有一定影响,并给出了信号受温度影响的变化规律。     

基于多传感器的裂纹扩展监测研究

疲劳裂纹扩展是结构健康监测的主要问题之一，为了保证金属结构的可靠和安全运行，实时监测结构的疲劳裂纹扩展过程十分必要。针对结构裂纹扩展的问题，采用压电传感器（PZT）和电阻应变片两种传感器，提出结合能够连续监测结构损伤的被动监测方法以及对微小损伤敏感的主动监测方法对裂纹扩展进行综合监测，以提高裂纹扩展的监测水平。采用随机森林算法对裂纹长度进行识别，并使用D-S证据理论对两种传感器的识别结果进行数据融合，得到比单一传感器更准确、可靠的裂纹扩展识别结果。进行了基于应变和主动Lamb波的裂纹扩展监测实验研究，验证了该方法对提高裂纹扩展监测识别准确率的有效性和实用性。     

阵列宽带Lamb波在结构损伤检测中的应用

阵列信号处理中的空间谱估计可以对信号源进行辨别和定位,于是通过采集在结构上布置的阵列传感器Lamb波信号用来检测损伤发生的位置。通常,大多数空间谱估计方法均以窄带信号为假定,在很多基于Lamb波的结构损伤检测中,为了减小频散特性的影响,大多数研究以Lamb波为窄带信号进行分析,但无限窄的激励信号是物理不可实现的。因此,其在多数情况下Lamb波信号并不符合窄带信号假定,更应被认为是一种宽带信号来进行处理。进而利用空间谱估计中宽带信号非相干子空间处理方法（Incoherent Signal Subspace Method,ISM）中阵列接收的宽带Lamb波信号进行处理,检测出结构发生单一损伤时的损伤位置。随后,当结构损伤与边界反射波有叠加时会引起损伤信号相干,采用宽带信号相干子空间方法（Coherent Signal Subspace Method,CSM）对损伤位置进行检测,得到了较好的结果。     

旋转反压与离心式压气机叶片相互作用数值模拟研究

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压、热效率高的特点，将航空涡轮发动机的燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室可进一步提高发动机性能。本文基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法，采用k-ε湍流模型，针对旋转反压与离心式压气机叶片的相互作用开展三维数值模拟，研究旋转反压形成的前传压力波与扩压器及叶轮叶片的相互作用，分析旋转反压传播方向对前传压力波运动过程的影响。结果表明：旋转反压会在压气机内形成前传压力波，其与扩压器和叶轮的叶片相互作用，形成复杂的波系结构。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向相反时，前传压力波的压力峰值在扩压器内先下降后上升，在进入叶轮通道后迅速下降，无法到达叶轮入口。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向一致时，压力波波形发生明显变化，其与扩压器叶片相互碰撞导致强度明显下降，向上游传播距离更短。     

固体药柱燃烧断裂边界一维流场特性

以发动机燃烧室增压为条件,详细模拟了固体药柱燃烧断裂边界一维流场的特性。高温燃气在燃烧室增压驱动下注入药柱裂纹,在裂纹内形成压力波和火焰锋的传播过程。压力波前和封闭的裂纹顶端会产生拍击作用,使得裂纹顶端的压力迅速增加,进而在燃烧室增压率增大的方向上,裂纹顶端相继出现火焰减速传播、压力突升、超前点火和火焰加速传播等现象。这就找到了国内外学者在一维假设下发现的各现象之间的内在联系,并描述了四种不同的火焰传播曲线。     

流动稳定性中小扰动波传播速度的数值研究

在保守系统中，小扰动波如线性水波及线性重力内波等均以其群速度传播，且群速度等于能流速度，在非保守系统中，波的传播速度还是个不十分清楚的问题。本文用数值计算的方法研究流动稳定性问题中小扰动波的传播速度，结果表明，波的传播速度并不等于能流速度，而与复群速度的实部近似相等。本文还用一简单的模型对此给予了解释。