航空結(jié)構(gòu)中Lamb波傳播的譜有限元模擬及損傷識別技術(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)在線實時地評估航空結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)成為可能。應(yīng)用壓電元件激勵/接收結(jié)構(gòu)中的Lamb波，獲取損傷的位置、程度以及擴展信息，及時對結(jié)構(gòu)完整性作出評估，對于提高飛行安全，減少飛機維護時間，增加出動率具有至關(guān)重要的意義。
　　本文對航空結(jié)構(gòu)中Lamb波的數(shù)值模擬技術(shù)以及損傷識別方法進行了研究。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、對結(jié)構(gòu)中Lamb波的激勵和接收成為可能，并發(fā)展了一種先進的信號處理技術(shù)和一種無參考信號識別方法對航空結(jié)構(gòu)的單損傷和多部位損傷進行成像，評估航空結(jié)構(gòu)的健康狀況。本文的主要研究內(nèi)容和取得的成果有：
　　（1）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)組成的譜梁單元模型和“壓電元件-膠層-主結(jié)構(gòu)”三層結(jié)構(gòu)組成的譜梁單元模型，模擬壓電元件對梁狀結(jié)構(gòu)中Lamb波的激勵和接收?；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)分別當作一個混合的單元，推導其在頻域內(nèi)的動剛度矩陣。通過和基于二維彈性理論的有限單元法進行比較發(fā)現(xiàn)，所發(fā)展的頻域譜有限單元在保持精度的同時，計算效率有了質(zhì)的飛躍。另外，討論壓電元件的長度、厚度以及膠層的厚度等參數(shù)對接收信號的影響，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測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)”組成的一維譜梁單元模型和“壓電元件

4、-主板結(jié)構(gòu)”組成的二維譜板單元模型，模擬壓電元件對梁狀和板狀結(jié)構(gòu)中Lamb波的激勵和接收?；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)分別當做一個混合的單元，推導其基于時域譜有限單元法的動力學方程。通過和彈性理論的有限單元法進行對比，驗證了所發(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。
　　（3）發(fā)展了一種先進的信號處理技術(shù)——分形維數(shù)法，對傳感器測得的Lamb

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

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