复合材料板冲击损伤的Lamb波场成像算法研究

针对民机复合材料板中冲击损伤检测难度大精度低等问题,采用压电传感器激发复合材料板中Lamb波信号,并通过扫描式激光多普勒测振仪感知板中Lamb波场信号,引入Lamb波场曲率放大冲击损伤所致波场奇异成分,计算Lamb波场曲率均方根(RMS)得到损伤图像实现复合材料板中冲击损伤成像。实验结果表明,建立在压电激励和激光感知基础上的Lamb波场曲率RMS图像算法能有效检测出玻璃纤维增强复合材料(GFRP)板中冲击损伤的位置和大小。     

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。     

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。     

板中裂纹对Lamb波传播的影响

基于有限元分析方法，研究了Lamb波在含有裂纹复合材料板中的传播问题。深入地分析了不同长度和深度的裂纹对Lamb传播的影响。在数值计算中，考虑了网格尺寸和时间积分步长选择。数值结果的正确性可以通过波到达时间和剪切波到达时间的一致性得到验证。分析结果表明，Lamb波在复合材料损伤监测中具有潜在的应用价值。     

基于Lamb波的损伤铝板信号获取仿真研究

为了分析Lamb波在健康铝板和通孔铝板上的传播规律,提出基于Lamb波的损伤信号获取仿真方法。首先绘制3 mm铝板的群速度和相速度频散曲线,然后调制激励信号,在有限元软件Abaqus中建模仿真,获得Lamb波在铝板上的信号,最后再将各信号带入损伤因子公式中计算SDC值。研究结果表明：距离激励点的位置越远,Lamb波衰减的越厉害;相同位置,接收到完整板的信号幅值大于损伤板;传感器距离损伤位置越近,损伤因子越大。研究结果为无损检测成像技术提供理论支持。     

二维结构损伤的主动Lamb波定位技术研究

将Lamb波主动监测技术应用于复合材料损伤检测中,对二维结构损伤进行定位研究。利用压电陶瓷片作为驱动器和传感器,对结构损伤前后的传感信号做信号差,采用3种常用的信号时间延迟估计方法,比较这3种方法计算差信号和健康信号的时间延迟的损伤定位效果,其中定位方法采用了椭圆技术。详细介绍了这3种时间延迟估计方法的原理以及损伤定位结果的分析。实验结果表明在信号的信噪比较小的情况下,采用小波变换法能更准确地识别出复合材料冲击损伤的位置。实验数据验证了该方法的有效性。     

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。     

基于Lamb波的双面激励仿真计算与实验研究

针对损伤检测中常见的入射波A0与损伤反射波S0混叠的情况,提出了基于双面激励削弱反对称信号A0,增强对称模式S0的方法,面向通孔类损伤实现了损伤的准确检测与定位.首先,从理论上证明了双面激励的有效性;然后,对含通孔损伤的矩形板进行了A baqus仿真计算,通过单面激励与双面激励的对比,结果表明双面激励可以有效削弱反射波...     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于压电传感网络的结构健康监测扫查系统的设计及实验研究(英文)

基于主动Lamb波和压电传感器网络的结构健康监测技术是一种评估航空结构健康状态的有效方法。在实际应用中,监测大型结构需要使用压电传感器网络。扫查这些压电传感器网络中的压电激励-传感通道以达到在线的结构健康监测是非常重要的。基于PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)平台,研发了一套基于主动Lamb波和压电传感器网络的集成多通道扫查系统,该系统结构紧凑、便于携带,能大规模自动扫查激励-传感通道并进行损伤评估。提出和讨论了该系统中:4通道PXI程控增益电荷放大器的实现、支持276个激励-传感通道的外部扫查模块和集成的结构健康监测软件的实现。最后,主要讨论了系统在某型无人机碳纤维复合材料机翼盒段上的功能验证实验,包括:压电贴层的设计、激励信号频率的选择方法、损伤成像的功能性测试、系统稳定性测试和载荷对信号的影响。实验结果验证了该系统的稳定性和损伤监测功能。     

航空发动机风扇叶片结构损伤识别研究

航空发动机风扇叶片常常因为疲劳裂纹而引起整个结构的损坏,导致重大的安全事故。基于此,提出基于BP神经网络研究航空发动机风扇叶片结构损伤识别的方法,采用有限元法计算出的结构固有频率平方的变化量为标识量进行网络仿真,通过对仿真数据的分析,比较准确地识别出结构损伤的位置和程度,为及时地发现损伤并且进行针对性的维修提供依据。     

贴附式涡流传感器损伤监测特性仿真与实验研究

为满足飞机结构裂纹扩展定量化监测和工程化应用的需求,探索MWM(Meandering Winding Magnetometer)传感器进行结构健康监控的可行性,设计了一种贴附式涡流阵列传感器并为传感器的工程化应用开展了仿真优化和实验研究。基于裂纹扩展分段监测的思路,传感器的感应线圈和激励线圈采用阵列化设计。通过将材料的电导率提取为结构的等效损伤参数,构建了传感器损伤监测正向半解析模型,并对线圈厚度和基材层厚度进行了优化。为验证传感器的监测能力,开展了程序载荷谱下的2A12-T4铝合金阳极氧化试件的疲劳裂纹扩展监测实验。仿真优化结果表明,传感器监测灵敏度随提离距离的增加而减小,传感器最优工作频率范围为0.3~0.7MHz。裂纹扩展监测实验结果表明,贴附式涡流传感器具备对金属结构进行实时损伤监测的能力,感应线圈的阵列化布置方式实现了裂纹扩展的定量监测,精度达到毫米级,同断口分析结果相比,平均监测误差为3.85%。     

基于递阶遗传算法的结构多损伤监测

基于递阶遗传算法(HGA)与结构优化思想,提出了一种针对欧拉-伯努利梁和二维板结构的多损伤监测方法.该方法利用递阶遗传算法的控制基因表示损伤的数量和位置,以参数基因表示损伤的程度,有效地避免了传统遗传算法(CGA)的早熟现象所造成的损伤误识别等问题.一个悬臂梁和悬臂方板结构模型的多损伤监测仿真计算表明该方法能够准确地监测一、二维结构中多个位置的损伤,而传统遗传算法难以识别二维结构中的多损伤情况.悬臂梁仿真算例中,该方法和传统遗传算法对多损伤程度的识别误差分别为0.144%和1.819%,所需的有限元计算次数该方法仅为传统遗传算法的16.4%.与传统遗传算法相比,递阶遗传算法明显提高了损伤识别方法的计算效率、精度和稳定性.