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

1、結(jié)構(gòu)健康診斷是指一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)探測(cè)和解釋結(jié)構(gòu)的‘不利變化’或‘損傷跡象’來(lái)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(cè)技術(shù)的可靠性和穩(wěn)健性，我們從兩個(gè)方面進(jìn)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(lái)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(yàn)證了基于蘭姆波的損傷檢測(cè)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(qiáng)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(zhuān)門(mén)用于解決Mindlin板問(wèn)題的。該單元用切比雪夫多項(xiàng)式作為形函數(shù)并使用切比雪夫-高斯-諾伯特點(diǎn)作為單元節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)積分方案(CPQ)，被用來(lái)生成單元質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。由于切比雪夫多項(xiàng)式的正交性和積分點(diǎn)與單元節(jié)點(diǎn)重合的特點(diǎn)，集中單元質(zhì)量矩陣被幸運(yùn)

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(lái)求解運(yùn)動(dòng)方程，這將大大的降低計(jì)算成本并且節(jié)約計(jì)算時(shí)間。為了估計(jì)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(lái)代替CPQ來(lái)生成單元?jiǎng)偠染仃嚒５糜谏蓡卧|(zhì)量矩陣的積分方案依舊是CPQ。通過(guò)數(shù)值計(jì)算我們調(diào)查由上面兩種積分方案生成的剛度矩陣對(duì)靜態(tài)和動(dòng)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(guò)與ABAQUS結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，

4、結(jié)果顯示對(duì)于任何厚度的板，CPQ都表現(xiàn)的要比GLEQ要好，尤其對(duì)厚板其優(yōu)勢(shì)更明顯。此外，對(duì)一維波傳播問(wèn)題的完美解決展現(xiàn)了新單元的效能。
　　 接下來(lái)，我們用上面提出的數(shù)值模擬方法來(lái)研究基于蘭姆波的損傷檢測(cè)技術(shù)。A0波是蘭姆波的反對(duì)稱(chēng)基波，由于其己被證明適合探測(cè)小的損傷，因此本研究決定使用A0波。通過(guò)使用36節(jié)點(diǎn)的偽譜Mindlin板單元，我們把得到的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，成功地證明了基于蘭姆波的損傷檢測(cè)技術(shù)是可靠的。關(guān)于實(shí)

5、驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，對(duì)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(duì)于碳纖維增強(qiáng)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(lái)得到蘭姆波的傳播波形。另外，我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)從損傷傳來(lái)的反射波的強(qiáng)度是影響基于蘭姆波的損傷檢測(cè)技術(shù)可靠性的重要因素。對(duì)于同一個(gè)損傷，從損傷反射回的波越強(qiáng)，檢測(cè)技術(shù)的可靠性就越高。為了提高該技術(shù)的可靠性，通過(guò)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(duì)從損傷傳來(lái)的反射波強(qiáng)度的影響。對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料梁，我們研究了激發(fā)頻率對(duì)從脫層反射回來(lái)的波的強(qiáng)度的影響。通過(guò)大量的數(shù)值計(jì)算，我們得到各種長(zhǎng)度脫層的激發(fā)頻率一反射波強(qiáng)度曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)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(lì)頻率，在該頻率下可以產(chǎn)生最強(qiáng)的脫層反射波。為了進(jìn)一步了解激發(fā)頻率與從脫層傳來(lái)的反射波的強(qiáng)度之間的關(guān)系，我們建立脫層分析模型來(lái)估計(jì)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