基于譜元法的導(dǎo)波傳播機(jī)理及結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究.pdf

1、重大工程項(xiàng)目如航空航天、機(jī)械以及土木工程結(jié)構(gòu)中損傷的存在會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，甚至引起災(zāi)難性的后果。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)能提供有關(guān)結(jié)構(gòu)健康狀況的實(shí)時(shí)信息，近年來(lái)成為工程界和學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)?；趯?dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)埋入結(jié)構(gòu)或者粘貼在結(jié)構(gòu)表面的作動(dòng)器和傳感器激勵(lì)并接收結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波信號(hào)并進(jìn)行分析，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行判斷。因此對(duì)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播機(jī)理以及波與損傷作用規(guī)律的了解是基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)。
　　

2、本文系統(tǒng)地把譜元法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，建立了結(jié)構(gòu)的譜元法模型、壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型以及損傷模型，對(duì)金屬材料以及多層碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播機(jī)理、波的激勵(lì)與接收以及波與損傷的作用規(guī)律進(jìn)行研究，并提出了一種基于環(huán)形壓電陣列的板結(jié)構(gòu)損傷圖像定量化重建方法。
　　 論文首先概述了基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播機(jī)理的分析方法，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了波與不同結(jié)構(gòu)中不同形式損傷的作用及壓電晶片

3、與結(jié)構(gòu)耦合的研究方法，介紹了導(dǎo)波信號(hào)處理技術(shù)和基于導(dǎo)波的損傷識(shí)別方法。
　　 以三維譜單元的形成過(guò)程為例建立了模擬結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播的譜元法模型，并根據(jù)譜元法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，建立了壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型，分析了算法穩(wěn)定性和計(jì)算效率等問(wèn)題，介紹了相關(guān)的計(jì)算過(guò)程。對(duì)本文中所涉及到的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并對(duì)相關(guān)激勵(lì)參數(shù)進(jìn)行了分析。
　　 建立了各向同性梁結(jié)構(gòu)的二維譜元法模型和壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型，研究了結(jié)構(gòu)中Lamb

4、波的頻散關(guān)系；通過(guò)單點(diǎn)激勵(lì)力模型對(duì)比，研究了在施加電壓條件下結(jié)構(gòu)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(lì)頻率的變化關(guān)系等問(wèn)題；通過(guò)實(shí)驗(yàn)采集和譜元法模型計(jì)算得到的Lamb波信號(hào)對(duì)鋁合金梁結(jié)構(gòu)中損傷進(jìn)行了估計(jì)。
　　 發(fā)展了模擬結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播的三維譜元法模型，并建立了壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型，對(duì)鋁合金板結(jié)構(gòu)中Lamb波的傳播機(jī)理進(jìn)行了研究。基于壓電晶片模型研究了在施加電壓激勵(lì)條件下板結(jié)構(gòu)中La

5、mb波的傳播規(guī)律。采用減小結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠鹊姆椒M結(jié)構(gòu)中的損傷，研究了Lamb波與損傷的作用規(guī)律。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)得到的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。最終結(jié)果證明，同二維譜元法模型相比，三維譜元法模型能更真實(shí)地對(duì)結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的激勵(lì)與接收以及波的傳播進(jìn)行模擬。
　　 揭示了橫截面尺寸較大的三維厚梁中導(dǎo)波的傳播機(jī)理，提出了對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行識(shí)別時(shí)頻率選擇原則。對(duì)不同激勵(lì)頻率下不同厚度梁結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)中剪切波的波長(zhǎng)約大于梁厚度的

6、二倍時(shí)，由于導(dǎo)波的波長(zhǎng)和梁的厚度相近引起的局部對(duì)稱(chēng)模式受到抑制，導(dǎo)波沿著梁的長(zhǎng)度方向傳播，這時(shí)結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波可以被認(rèn)為是Lamb波。因此對(duì)此類(lèi)梁結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行識(shí)別時(shí)，可根據(jù)這一原則選擇合適的激勵(lì)頻率，得到簡(jiǎn)單的導(dǎo)波模式。通過(guò)節(jié)點(diǎn)分離法對(duì)結(jié)構(gòu)中的橫向裂紋進(jìn)行了模擬，分析了導(dǎo)波與損傷的作用規(guī)律。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)得到的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 基于所建立的多層碳纖維復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的二維譜元法模型，揭示了Lamb波在結(jié)構(gòu)中的傳播機(jī)理以及與分

7、層損傷作用規(guī)律。分別對(duì)基礎(chǔ)階對(duì)稱(chēng)模式(S0)和反對(duì)稱(chēng)模式(A0)與分層損傷的作用過(guò)程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)分層損傷存在時(shí)，波的反射主要發(fā)生在分層損傷的遠(yuǎn)端；A0模式對(duì)位于任何層間界面上的分層損傷都比較敏感，相對(duì)S0模式更適合對(duì)結(jié)構(gòu)中分層損傷的識(shí)別，特別是分層損傷位于對(duì)稱(chēng)中面時(shí)；反射系數(shù)和透射系數(shù)是分層損傷長(zhǎng)度與波長(zhǎng)比值的函數(shù)，表現(xiàn)為波狀曲線(xiàn)；提出了一種對(duì)碳纖維復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)中分層損傷進(jìn)行定量化識(shí)別的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

8、　　 發(fā)展了多層碳纖維復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)精確的三維譜元法模型，揭示了板中Lamb波的傳播機(jī)理及與分層損傷作用規(guī)律。對(duì)三種類(lèi)型的碳纖維復(fù)合材料板即單向板[08]，對(duì)稱(chēng)正交板[02/902]s和準(zhǔn)各向同性板[+45/-45/0/90]中Lamb波的傳播機(jī)理進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，多層碳纖維復(fù)合材料板中的導(dǎo)波，即使是基礎(chǔ)階模式即對(duì)稱(chēng)模式(S0)、反對(duì)稱(chēng)模式(A0)和水平剪切模式(SH0)，其傳播特性也較為復(fù)雜。對(duì)Lamb波與碳纖維復(fù)合材料板中

9、分層損傷的作用規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在相同的激勵(lì)頻率下反對(duì)稱(chēng)模式比對(duì)稱(chēng)模式對(duì)損傷更為敏感；分層損傷對(duì)透射信號(hào)的影響較大。
　　 考慮板內(nèi)傳播的Lamb波幅值與其傳播距離的關(guān)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(guò)實(shí)驗(yàn)中環(huán)形壓電陣列各傳感單元采集得到的信號(hào)對(duì)板中損傷圖像進(jìn)行重建，分析了不同距離和損傷程度的損傷對(duì)壓電陣列總響應(yīng)幅值極大值的影響，從而證明所提出的方法可以對(duì)板結(jié)構(gòu)中損傷位置和損傷程度進(jìn)行定量化地估