結(jié)構(gòu)健康診斷中基于蘭姆波的損傷檢測技術(shù)的可靠性研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)健康診斷是指一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過探測和解釋結(jié)構(gòu)的‘不利變化’或‘損傷跡象’來提高損傷診斷的可靠性并且降低生命周期成本。本文為了提高結(jié)構(gòu)健康診斷中基于蘭姆波的損傷檢測技術(shù)的可靠性和穩(wěn)健性，我們從兩個方面進行了研究。第一，我們提出了一種新型的高精度數(shù)值方法來研究蘭姆波在含有損傷的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中傳播特性。第二，我們用這種數(shù)值模擬方法驗證了基于蘭姆波的損傷檢測技術(shù)的可靠性。另外，為了提高該技術(shù)的可靠性，我們研究了蘭姆波在金屬和復(fù)合材料中的傳

2、播特性。該研究使用了含損傷的鋁板和含脫層的碳纖維增強復(fù)合材料梁。
　　 首先，我們先介紹基于切比雪夫偽譜有限單元的數(shù)值模擬方法，該方法是專門用于解決Mindlin板問題的。該單元用切比雪夫多項式作為形函數(shù)并使用切比雪夫-高斯-諾伯特點作為單元節(jié)點。一種由我們提出的，不常用的數(shù)值積分方案，即切比雪夫點積分方案(CPQ)，被用來生成單元質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。由于切比雪夫多項式的正交性和積分點與單元節(jié)點重合的特點，集中單元質(zhì)量矩陣被幸運

3、的獲得。由于單元質(zhì)量矩陣的形成，我們可以使用顯式積分方法來求解運動方程，這將大大的降低計算成本并且節(jié)約計算時間。為了估計這種新單元的精度，另一種常用積分方案，即高斯-勒讓德積分方法(GLEQ)，被用來代替CPQ來生成單元剛度矩陣。但用于生成單元質(zhì)量矩陣的積分方案依舊是CPQ。通過數(shù)值計算我們調(diào)查由上面兩種積分方案生成的剛度矩陣對靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)分析精度的影響。雖然理論上GLEQ的積分精度要比CPQ要高，但是通過與ABAQUS結(jié)果進行對比，

4、結(jié)果顯示對于任何厚度的板，CPQ都表現(xiàn)的要比GLEQ要好，尤其對厚板其優(yōu)勢更明顯。此外，對一維波傳播問題的完美解決展現(xiàn)了新單元的效能。
　　 接下來，我們用上面提出的數(shù)值模擬方法來研究基于蘭姆波的損傷檢測技術(shù)。A0波是蘭姆波的反對稱基波，由于其己被證明適合探測小的損傷，因此本研究決定使用A0波。通過使用36節(jié)點的偽譜Mindlin板單元，我們把得到的數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，成功地證明了基于蘭姆波的損傷檢測技術(shù)是可靠的。關(guān)于實

5、驗數(shù)據(jù)的獲取，對于鋁板我們采用超聲波傳播的可視化技術(shù)得到蘭姆波的傳播圖像，對于碳纖維增強復(fù)合材料梁我們提出了一種用壓電激發(fā)器和傳感器產(chǎn)生和接收純A0波的方法來得到蘭姆波的傳播波形。另外，我們在研究中發(fā)現(xiàn)從損傷傳來的反射波的強度是影響基于蘭姆波的損傷檢測技術(shù)可靠性的重要因素。對于同一個損傷，從損傷反射回的波越強，檢測技術(shù)的可靠性就越高。為了提高該技術(shù)的可靠性，通過改變鋁板中輸入波參數(shù)，例如，周期數(shù)，激發(fā)頻率，蘭姆波的入射角度等等，我們揭示

6、了這些參數(shù)對從損傷傳來的反射波強度的影響。對碳纖維增強復(fù)合材料梁，我們研究了激發(fā)頻率對從脫層反射回來的波的強度的影響。通過大量的數(shù)值計算，我們得到各種長度脫層的激發(fā)頻率一反射波強度曲線。從曲線中我們獲得了最優(yōu)激發(fā)器的使用條件，即激發(fā)器的激勵頻率，在該頻率下可以產(chǎn)生最強的脫層反射波。為了進一步了解激發(fā)頻率與從脫層傳來的反射波的強度之間的關(guān)系，我們建立脫層分析模型來估計局部脫層區(qū)域的自然頻率，最終我們發(fā)現(xiàn)所有的最優(yōu)激發(fā)頻率都接近局部脫層區(qū)域