基于蘭姆波的薄壁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別.pdf

1、結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生及破壞往往是從早期小尺寸損傷逐漸發(fā)展而來(lái)，結(jié)構(gòu)損傷的位置、大小及形狀的“擴(kuò)展”直接關(guān)系著結(jié)構(gòu)的安全及使用壽命。蘭姆波（Lamb Wave）作為一種特殊的彈性應(yīng)力波，由于其具有傳播距離遠(yuǎn)、能量衰減小、對(duì)損傷反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于薄板或薄殼結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別中?，F(xiàn)階段，基于蘭姆波的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究主要是采用損傷指數(shù)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)“是否存在損傷”，或者采用基于超聲波成像的方法對(duì)“損傷定位”，但是針對(duì)結(jié)構(gòu)早期小尺寸損傷、損傷形狀及大

2、小識(shí)別的研究較少，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的損傷成像定位算法存在損傷定位精度低、損傷成像區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真實(shí)的損傷區(qū)域且成像圖像中存在大量“偽損傷”等缺點(diǎn)。因此，本文主要對(duì)基于蘭姆波的結(jié)構(gòu)損傷尺寸形狀識(shí)別及損傷成像定位識(shí)別方法進(jìn)行系統(tǒng)地研究，采用理論研究、數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)解決結(jié)構(gòu)早期小尺寸損傷及損傷形狀識(shí)別問(wèn)題，并針對(duì)如何提高現(xiàn)有成像定位識(shí)別方法定位精度和效率開(kāi)展研究，主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)基于經(jīng)典的蘭姆波波動(dòng)理論，

3、采用數(shù)值分析的方法研究了蘭姆波在結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)亩嗄B(tài)及頻散特性，基于調(diào)諧蘭姆波理論分析了利用壓電陶瓷激發(fā)單模態(tài)蘭姆波的條件，并確定了蘭姆波激發(fā)信號(hào)的選取原則。數(shù)值分析的結(jié)果表明:在一定的頻厚積范圍內(nèi)，僅存在So模態(tài)和Ao模態(tài)的蘭姆波，且So模態(tài)蘭姆波群速度比Ao模態(tài)的蘭姆波的群速度大得多，利用該特性可以有效地抑制其它模態(tài)蘭姆波并分離So模態(tài)和Ao模態(tài)的蘭姆波;當(dāng)由壓電陶瓷來(lái)激發(fā)蘭姆波時(shí)，存在一系列的調(diào)諧頻率，可使So模態(tài)蘭姆波或Ao模態(tài)蘭

4、姆波應(yīng)變?yōu)?，即結(jié)構(gòu)中僅存在單一模態(tài)的蘭姆波。
　　(2)從能量的角度來(lái)研究金屬材料早期小尺寸損傷對(duì)超聲波能量衰減的影響，提出采用基于超聲波能量擴(kuò)散機(jī)理來(lái)定量識(shí)別金屬結(jié)構(gòu)小尺寸損傷。推導(dǎo)了含損傷單相均勻介質(zhì)內(nèi)超聲波能量擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式，分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圓形孔狀損傷，超聲波能量擴(kuò)散系數(shù)與圓形損傷直徑的平方成反比，因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷較小時(shí)，結(jié)構(gòu)損傷的微小變化即可引起超聲波能量擴(kuò)散系數(shù)的明顯變化，利用該特性即可對(duì)結(jié)構(gòu)早期微損傷進(jìn)行識(shí)別。還設(shè)計(jì)

5、了實(shí)驗(yàn)來(lái)研究蘭姆波頻散及多模態(tài)特性對(duì)超聲波能量擴(kuò)散的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)損傷會(huì)改變超聲波在結(jié)構(gòu)中的能量傳輸，且當(dāng)結(jié)構(gòu)中僅存在單一模態(tài)蘭姆波時(shí)，超聲波能量擴(kuò)散系數(shù)及耗散系數(shù)與結(jié)構(gòu)損傷的直徑成單調(diào)下降或上升的關(guān)系，而當(dāng)結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在多種模態(tài)蘭姆波時(shí)，由于各模態(tài)蘭姆波群速度不同，導(dǎo)致超聲波能量傳輸不同步，而造成圓孔損傷直徑與能量擴(kuò)散系數(shù)及耗散系數(shù)并不嚴(yán)格成單調(diào)下降或上升關(guān)系，在利用超聲波能量擴(kuò)散機(jī)理對(duì)結(jié)構(gòu)小尺寸損傷進(jìn)行識(shí)別時(shí)應(yīng)合理選擇脈沖

6、信號(hào)的中心頻率來(lái)激發(fā)單一模態(tài)的蘭姆波。
　　(3)提出了一種混合時(shí)間延時(shí)疊加成像算法。該算法充分利用了傳感器所接收到的信號(hào)信息并同時(shí)采用橢圓定位和雙曲線(xiàn)定位方法來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的損傷圖像，引入邊界反射系數(shù)來(lái)抑制邊界反射波所產(chǎn)生的偽損傷信號(hào)，以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)損傷成像定位的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明混合時(shí)間延時(shí)疊加算法較傳統(tǒng)時(shí)間延時(shí)疊加算法更能準(zhǔn)確地獲得結(jié)構(gòu)損傷的位置，并極大地減小了偽損傷的數(shù)量。
　　(4)提出了一種時(shí)間延時(shí)邏輯“與”運(yùn)算疊加

7、成像算法，采用邏輯“與”運(yùn)算得到的損傷圖像可從根本上解決傳統(tǒng)成像算法在獲得損傷圖像的同時(shí)會(huì)不可避免地會(huì)引入偽損傷的缺點(diǎn)，該算法還采用基于局部最大值求信號(hào)包絡(luò)的方法來(lái)消除因希爾伯特變換法所帶來(lái)的時(shí)間偏移。鋁板實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于邏輯運(yùn)算的時(shí)間延時(shí)疊加算法與傳統(tǒng)成像算法相比，可以有效抑制偽損傷，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的高精度定位。
　　(5)開(kāi)展了基于蘭姆波的結(jié)構(gòu)損傷形狀識(shí)別方法的研究，提出了一種針對(duì)板狀結(jié)構(gòu)損傷形狀及尺寸識(shí)別新方法。該方法采用壓電