基于压缩感知的金属加筋板兰姆波健康监测技术

针对大型复杂板结构安全评价需要，发展了一种基于压缩感知的金属加筋板结构兰姆波健康监测技术。利用压缩感知技术从稀疏阵列得到的少量检测数据中恢复出加筋板结构中兰姆波的频散特性，并提出了一种将余弦相似度和皮尔森相似度相结合的稀疏阵列兰姆波复合成像方法，以实现加筋板结构中大范围缺陷检测和成像。实验结果表明，压缩感知技术可以恢复出金属加筋板中兰姆波的频率-波数关系，提出的兰姆波复合成像方法能够实现金属加筋板中单缺陷和多缺陷的检测及定位。研究工作为复杂板结构损伤检测提供了一种可行的技术方案。     

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。     

碳纤维复合材料层板冲击损伤的空气耦合兰姆波成像检测

非接触式超声兰姆波方法能够对大面积复合材料板材进行快速检测,在自动成像检测上有着突出的优势。针对碳纤维/树脂基复合材料(CFRP)层压板采用空气耦合超声探头激励出A0模态兰姆波。在含冲击损伤的层板试样的同一侧激发和接收兰姆波进行扫描检测,针对冲击损伤区域以互相正交的两个方向进行兰姆波扫查,获得了不同位置的检测信号。对比在有无缺陷处板材中兰姆波传播信号的特征,对采集信号进行频域分析,以无缺陷处信号值为基准,利用信号差异系数(SDC)作为特征值,将扫查信号数据采用特征值全加和全乘的数据融合方法进行了缺陷形貌重构成像。成像结果能够良好的体现出冲击损伤的位置和两个方向的尺寸大小。     

涡轮盘榫槽的损伤力学研究

本文运用损伤力学方法对涡轮盘试件榫槽在蠕变和疲劳交互作用下的裂纹起始寿命与裂纹扩展寿命进行了分析研究。榫槽的非线性损伤累积模型是由修正的Ｃｈａｂｏｃｈｅ′ｓ低循环疲劳损伤模型和改进的Ｋａｃｈａｎｏｖ′ｓ蠕变损伤模型综合形成的。在此基础上建立了疲劳和蠕变交互作用下裂纹扩展计算模型。从理论分析计算与试验结果的一致性,说明所建模型的正确性。采用损伤有限元素法,以有限元网格尺寸模拟损伤裂纹长度。从试件榫槽的裂纹扩展计算分析中,提出裂纹起始方向和裂纹扩展方向判断准则,并通过计算检验了此准则的正确性。文中所建立的基本理论,计算方法及结果分析在工程实际中具有一定使用价值。     

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。     

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。     

A Lamb wave signal reconstruction method for high-resolution damage imaging

In Lamb wave-based Structural Health Monitoring(SHM), a high-enough spatial resolution is highly required for Lamb wave signals to ensure the resolution and accuracy of damage detection. However, besides the dispersion characteristic, the signal spatial resolution is also largely restricted by the space duration of excitation waveforms, i.e., the Initial Spatial Resolution(ISR)for the signals before travelling. To resolve the problem of inferior signal spatial resolution of Lamb waves, a Lamb Wave Signal Reconstruction(LWSR) method is presented and applied for highresolution damage imaging in this paper. In LWSR, not only a new linearly-dispersive signal is reconstructed from an original Lamb wave signal, but also the group velocity at the central frequency is sufficiently decreased. Then, both dispersion compensation and ISR improvement can be realized to achieve a satisfying signal spatial resolution. After the frequency domain sensing model and spatial resolution of Lamb wave signals are firstly analyzed, the basic idea and numerical realization of LWSR are discussed. Numerical simulations are also implemented to preliminarily validate LWSR. Subsequently, LWSR-based high-resolution damage imaging is developed. An experiment of adjacent multiple damage identification is finally conducted to demonstrate the efficiency of LWSR and LWSR-based imaging methods.     

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。     

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。     

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。     

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。     

Analysis of crack opening stresses for center- and edge-crack tension specimens

Accurate determination of crack opening stress is of central importance to fatigue crack growth analysis and life prediction based on the crack-closure model. This paper studies the crack opening behavior for center- and edge-crack tension specimens. It is found that the crack opening stress is affected by the crack tip element. By taking the crack tip element into account, a modified crack opening stress equation is given for the center-crack tension specimen. Crack surface displace- ment equations for an edge crack in a semi-infinite plate under remote uniform tension and partially distributed pressure are derived by using the weight function method. Based on these displacements, a crack opening stress equation for an edge crack in a semi-infinite plate under uniform tension has been developed. The study shows that the crack opening stress is geometry-dependent, and the weight function method provides an effective and reliable tool to deal with such geometry depen- dence.     

基于高斯权值-混合建议分布粒子滤波的疲劳裂纹扩展预测

飞行器结构的疲劳裂纹扩展预测对保障结构安全、实现视情维护具有重要意义。结合粒子滤波算法和结构健康监测方法进行在线的疲劳裂纹扩展预测是近年来刚刚开始研究的新方法,该方法通过状态空间模型表征疲劳裂纹扩展过程中的不确定性,同时通过贝叶斯方法将结构健康监测所获取的结构实际裂纹观测值用于修正裂纹扩展模型的预测误差,实现更准确的疲劳裂纹扩展在线预测。由于该方法的研究刚刚开展,已有研究中粒子滤波算法的重要性密度函数往往简单选取为先验转移概率密度,存在严重的粒子退化问题。另一方面出于简单考虑,仅采用表征裂纹稳定扩展区的Paris模型。针对上述问题,本文提出一种基于高斯权值-混合建议分布粒子滤波的疲劳裂纹在线预测方法,基于表征裂纹全扩展区域的NASGRO裂纹扩展模型建立疲劳裂纹扩展状态方程,以主动Lamb波监测方法实现结构裂纹的在线监测,借助在线结构健康监测的优势,在粒子滤波时选取重要性密度函数为观测概率密度和先验转移概率密度的混合分布,同时基于先验估计获取高斯权值进行权值更新。本文进一步进行了仿真研究,结果表明所提出的方法优化了疲劳裂纹扩展预测的准确性。     

多点裂纹起始过程的计算机模拟

在多点裂纹起始的情况下,可以观察到多个微观裂纹的萌生和早期扩展,所以宏观裂纹形成的寿命估算是比较复杂的。本文介绍一种二维计算机模型,模拟一种马氏体钢F82H的多点裂纹起始过程,损伤的累积程度通过单位面积裂纹密度表示,微裂纹萌生循环数通过Tanaka-Mura公式确定。该模型可以模拟材料的微观结构参数(如晶粒尺寸和取向)对裂纹萌生寿命的影响,给出定量的寿命估算表达式。模拟的裂纹密度和循环数的关系与试验结果符合得相当好。     

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。     

用应力杂交法计算Reissner型板复合型弯曲应力强度因子

本文在Reissner型平板裂纹尖端应力应变场一般解~[2,3]的基础上,采用应力杂交法构造高阶奇异元。由于采用了奇异元并解决了单元协调问题,使得Ⅱ型、Ⅲ型应力强度因子均获得较好的计算精度。本文计算了有限尺寸板复合型弯曲应力强度因子,并对Reissner型板若干力学特性进行了讨论分析。     

考虑小裂纹特性的裂纹扩展数值分析方法及实验验证

为了对工程断裂关键件进行全面的损伤容限分析,需要发展一种能够考虑小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展数值分析方法。在Paris公式的基础上基于镍基粉末高温合金小裂纹扩展行为特点,提出了一种小裂纹加长裂纹阶段的裂纹扩展物理力学过程描述,并以此建立了裂纹扩展速率模型。同时考虑到工程应用,将该模型通过FRANC3D软件的用户子程序,与有限元方法结合,构建了一种可分析实际工程结构例如航空发动机涡轮盘上疲劳裂纹扩展的数值分析方法。针对带初始缺陷的FGH96合金标准试棒进行了裂纹扩展数值分析,并与开展的裂纹扩展寿命实验进行了对比。数值计算结果与实验结果吻合较好,表明该方法能够充分考虑小裂纹阶段的裂纹扩展行为特点,适用于分析工程结构疲劳裂纹扩展的全过程。     

A theoretical model of semi-elliptic surface crack growth

A theoretical model of semi-elliptic surface crack growth based on the low cycle strain damage accumulation near the crack tip along the cracking direction and the Newman–Raju formula is developed. The crack is regarded as a sharp notch with a small curvature radius and the process zone is assumed to be the size of cyclic plastic zone. The modified Hutchinson, Rice and Rosengren(HRR) formulations are used in the presented study. Assuming that the shape of surface crack front is controlled by two critical points: the deepest point and the surface point.The theoretical model is applied to semi-elliptic surface cracked Al 7075-T6 alloy plate under cyclic loading, and five different initial crack shapes are discussed in present study. Good agreement between experimental and theoretical results is obtained.     

Nonlinear dynamic modeling of a helicopter planetary gear train for carrier plate crack fault diagnosis

Planetary gear train plays a significant role in a helicopter operation and its health is of great importance for the flight safety of the helicopter. This paper investigates the effects of a planet carrier plate crack on the dynamic characteristics of a planetary gear train, and thus finds an effec-tive method to diagnose crack fault. A dynamic model is developed to analyze the torsional vibra-tion of a planetary gear train with a cracked planet carrier plate. The model takes into consideration nonlinear factors such as the time-varying meshing stiffness, gear backlash and viscous damping. Investigation of the deformation of the cracked carrier plate under static stress is performed in order to simulate the dynamic effects of the planet carrier crack on the angular displacement of car-rier posts. Validation shows good accuracy of the developed dynamic model in predicting dynamic characteristics of a planetary gear train. Fault features extracted from predictions of the model reveal the correspondence between vibration characteristic and the conditions (length and position) of a planet carrier crack clearly.     

基于导波传播模型的MUSIC损伤识别算法

针对结构健康监测领域的损伤近场定位问题,提出了适用于复合材料结构损伤识别的近场二维多重信号分类（MUSIC）损伤识别算法。该损伤识别算法将导波传播模型引入近场二维MUSIC损伤识别模型,构造损伤散射信号与实验差信号的互相关矩阵,通过信号子空间与噪声子空间正交特性构造近场二维MUSIC空间谱。通过数值仿真和实验验证了所提出的损伤识别算法能够有效地识别复合材料结构损伤位置信息,具有很高的定位精度和分辨率。针对飞机垂直尾翼的加强筋结构对导波传播特性影响较大的问题,提出了分区域监测的损伤检测策略,并利用基于导波传播模型的二维MUSIC空间谱损伤识别算法成功地识别飞机垂直尾翼结构损伤,实现了复杂复合材料结构损伤识别的工程验证。