航空結(jié)構(gòu)中Lamb波傳播的譜有限元模擬及損傷識(shí)別技術(shù)研究.pdf

1、近年來基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究，使得使用集成在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)時(shí)地評(píng)估航空結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)成為可能。應(yīng)用壓電元件激勵(lì)/接收結(jié)構(gòu)中的Lamb波，獲取損傷的位置、程度以及擴(kuò)展信息，及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)完整性作出評(píng)估，對(duì)于提高飛行安全，減少飛機(jī)維護(hù)時(shí)間，增加出動(dòng)率具有至關(guān)重要的意義。
　　本文對(duì)航空結(jié)構(gòu)中Lamb波的數(shù)值模擬技術(shù)以及損傷識(shí)別方法進(jìn)行了研究。發(fā)展了兩種新型的譜有限單元使得快速數(shù)值模擬壓電元件

2、對(duì)結(jié)構(gòu)中Lamb波的激勵(lì)和接收成為可能，并發(fā)展了一種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和一種無參考信號(hào)識(shí)別方法對(duì)航空結(jié)構(gòu)的單損傷和多部位損傷進(jìn)行成像，評(píng)估航空結(jié)構(gòu)的健康狀況。本文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的成果有：
　?。?）基于頻域譜有限單元法發(fā)展了“壓電元件-主結(jié)構(gòu)”兩層結(jié)構(gòu)組成的譜梁?jiǎn)卧Ｐ秃汀皦弘娫?膠層-主結(jié)構(gòu)”三層結(jié)構(gòu)組成的譜梁?jiǎn)卧Ｐ?，模擬壓電元件對(duì)梁狀結(jié)構(gòu)中Lamb波的激勵(lì)和接收?；诮佑|處位移協(xié)調(diào)的假設(shè)，將“壓電元件-主結(jié)構(gòu)”兩層結(jié)

3、構(gòu)和“壓電元件-膠層-主結(jié)構(gòu)”三層結(jié)構(gòu)分別當(dāng)作一個(gè)混合的單元，推導(dǎo)其在頻域內(nèi)的動(dòng)剛度矩陣。通過和基于二維彈性理論的有限單元法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，所發(fā)展的頻域譜有限單元在保持精度的同時(shí)，計(jì)算效率有了質(zhì)的飛躍。另外，討論壓電元件的長(zhǎng)度、厚度以及膠層的厚度等參數(shù)對(duì)接收信號(hào)的影響，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中壓電元件和膠層的參數(shù)選擇提供了理論參考。
　?。?）基于Legendre時(shí)域譜有限單元法發(fā)展了“壓電元件-主梁結(jié)構(gòu)”組成的一維譜梁?jiǎn)卧Ｐ秃汀皦弘娫?/p>

4、-主板結(jié)構(gòu)”組成的二維譜板單元模型，模擬壓電元件對(duì)梁狀和板狀結(jié)構(gòu)中Lamb波的激勵(lì)和接收?；诮佑|處位移連續(xù)的假設(shè)，將“壓電元件-主梁結(jié)構(gòu)”一維兩層結(jié)構(gòu)和“壓電元件-主板結(jié)構(gòu)”二維兩層結(jié)構(gòu)分別當(dāng)做一個(gè)混合的單元，推導(dǎo)其基于時(shí)域譜有限單元法的動(dòng)力學(xué)方程。通過和彈性理論的有限單元法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所發(fā)展模型的正確性，并突顯了其在分析Lamb波傳播上的快捷性。
　?。?）發(fā)展了一種先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)——分形維數(shù)法，對(duì)傳感器測(cè)得的Lamb

5、波信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷。首先利用盒計(jì)算維數(shù)法來計(jì)算傳感器陣列所采集信號(hào)的分形維數(shù)，對(duì)比復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷前與損傷后信號(hào)分形維數(shù)的差異，提取損傷指標(biāo)；然后基于一種改進(jìn)的損傷存在概率成像算法，以直觀的形式對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行成像。通過仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了基于分形維數(shù)的損傷識(shí)別方法在識(shí)別復(fù)合材料平板和加筋板結(jié)構(gòu)中單損傷和多部位損傷時(shí)的可行性和有效性。
　?。?）發(fā)展了一種基于相似路徑的無參考信號(hào)的損傷識(shí)別方法，對(duì)

6、金屬和復(fù)合材料板狀結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)Lamb波在遇到損傷時(shí)會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象這一特點(diǎn)，認(rèn)為傳感器網(wǎng)絡(luò)中某一條路徑若通過或靠近損傷時(shí)，其首次到達(dá)波包信號(hào)的能量會(huì)有所減弱。利用這一特征，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路徑進(jìn)行分類，分為若干種相似路徑，對(duì)比相似路徑中傳感器接收到的首次到達(dá)波包信號(hào)的能量，定義損傷指標(biāo)，并進(jìn)行損傷成像。通過研究驗(yàn)證了基于相似路徑的無參考損傷識(shí)別方法對(duì)識(shí)別金屬板和復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)中單損傷以及多部位損傷進(jìn)行識(shí)別的可行性和有效性。