基于譜元法的導波傳播機理及結構損傷識別研究.pdf

1、重大工程項目如航空航天、機械以及土木工程結構中損傷的存在會影響結構的正常運行，甚至引起災難性的后果。結構健康監(jiān)測技術能提供有關結構健康狀況的實時信息，近年來成為工程界和學術界研究的一個熱點。基于導波的結構健康監(jiān)測技術是通過埋入結構或者粘貼在結構表面的作動器和傳感器激勵并接收結構中的導波信號并進行分析，從而對結構的健康狀況進行判斷。因此對結構中導波的傳播機理以及波與損傷作用規(guī)律的了解是基于導波的結構健康監(jiān)測技術研究的基礎。
　　

2、本文系統(tǒng)地把譜元法應用于結構健康監(jiān)測領域，建立了結構的譜元法模型、壓電晶片-結構耦合模型以及損傷模型，對金屬材料以及多層碳纖維復合材料結構中導波的傳播機理、波的激勵與接收以及波與損傷的作用規(guī)律進行研究，并提出了一種基于環(huán)形壓電陣列的板結構損傷圖像定量化重建方法。
　　 論文首先概述了基于導波的結構健康監(jiān)測技術國內外研究現(xiàn)狀，介紹了結構中導波傳播機理的分析方法，并分析了它們的優(yōu)缺點，總結了波與不同結構中不同形式損傷的作用及壓電晶片

3、與結構耦合的研究方法，介紹了導波信號處理技術和基于導波的損傷識別方法。
　　 以三維譜單元的形成過程為例建立了模擬結構中導波傳播的譜元法模型，并根據(jù)譜元法在結構健康監(jiān)測領域的應用特點，建立了壓電晶片-結構耦合模型，分析了算法穩(wěn)定性和計算效率等問題，介紹了相關的計算過程。對本文中所涉及到的實驗系統(tǒng)進行介紹，并對相關激勵參數(shù)進行了分析。
　　 建立了各向同性梁結構的二維譜元法模型和壓電晶片-結構耦合模型，研究了結構中Lamb

4、波的頻散關系；通過單點激勵力模型對比，研究了在施加電壓條件下結構中Lamb波的傳播規(guī)律；基于壓電晶片模型分析了Lamb波的模式選擇、波的幅值隨激勵頻率的變化關系等問題；通過實驗采集和譜元法模型計算得到的Lamb波信號對鋁合金梁結構中損傷進行了估計。
　　 發(fā)展了模擬結構中導波傳播的三維譜元法模型，并建立了壓電晶片-結構耦合模型，對鋁合金板結構中Lamb波的傳播機理進行了研究?；趬弘娋Ｐ脱芯苛嗽谑┘与妷杭顥l件下板結構中La

5、mb波的傳播規(guī)律。采用減小結構單元剛度的方法模擬結構中的損傷，研究了Lamb波與損傷的作用規(guī)律。最后通過實驗對得到的結論進行了驗證。最終結果證明，同二維譜元法模型相比，三維譜元法模型能更真實地對結構中導波的激勵與接收以及波的傳播進行模擬。
　　 揭示了橫截面尺寸較大的三維厚梁中導波的傳播機理，提出了對此類結構中的損傷進行識別時頻率選擇原則。對不同激勵頻率下不同厚度梁結構中導波傳播規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，當結構中剪切波的波長約大于梁厚度的

6、二倍時，由于導波的波長和梁的厚度相近引起的局部對稱模式受到抑制，導波沿著梁的長度方向傳播，這時結構中的導波可以被認為是Lamb波。因此對此類梁結構中的損傷進行識別時，可根據(jù)這一原則選擇合適的激勵頻率，得到簡單的導波模式。通過節(jié)點分離法對結構中的橫向裂紋進行了模擬，分析了導波與損傷的作用規(guī)律。最后通過實驗對得到的結論進行了驗證。
　　 基于所建立的多層碳纖維復合材料梁結構的二維譜元法模型，揭示了Lamb波在結構中的傳播機理以及與分

7、層損傷作用規(guī)律。分別對基礎階對稱模式(S0)和反對稱模式(A0)與分層損傷的作用過程進行了分析。結果表明，當分層損傷存在時，波的反射主要發(fā)生在分層損傷的遠端；A0模式對位于任何層間界面上的分層損傷都比較敏感，相對S0模式更適合對結構中分層損傷的識別，特別是分層損傷位于對稱中面時；反射系數(shù)和透射系數(shù)是分層損傷長度與波長比值的函數(shù)，表現(xiàn)為波狀曲線；提出了一種對碳纖維復合材料梁結構中分層損傷進行定量化識別的方法，并通過實驗進行了驗證。

8、　　 發(fā)展了多層碳纖維復合材料板結構精確的三維譜元法模型，揭示了板中Lamb波的傳播機理及與分層損傷作用規(guī)律。對三種類型的碳纖維復合材料板即單向板[08]，對稱正交板[02/902]s和準各向同性板[+45/-45/0/90]中Lamb波的傳播機理進行了分析。分析結果表明，多層碳纖維復合材料板中的導波，即使是基礎階模式即對稱模式(S0)、反對稱模式(A0)和水平剪切模式(SH0)，其傳播特性也較為復雜。對Lamb波與碳纖維復合材料板中

9、分層損傷的作用規(guī)律進行了分析，結果表明在相同的激勵頻率下反對稱模式比對稱模式對損傷更為敏感；分層損傷對透射信號的影響較大。
　　 考慮板內傳播的Lamb波幅值與其傳播距離的關系，提出了一種基于環(huán)形壓電陣列的定量化損傷圖像重建方法，并通過實驗中環(huán)形壓電陣列各傳感單元采集得到的信號對板中損傷圖像進行重建，分析了不同距離和損傷程度的損傷對壓電陣列總響應幅值極大值的影響，從而證明所提出的方法可以對板結構中損傷位置和損傷程度進行定量化地估