復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低速撞擊監(jiān)測(cè)研究.pdf

1、飛行器結(jié)構(gòu)在制造、維修和使用過(guò)程中不可避免地要受到低速撞擊載荷，造成的撞擊損傷會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力。復(fù)合材料在航空航天等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料受到撞擊后會(huì)產(chǎn)生目不可檢的損傷，這對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和完整性造成極大威脅。撞擊監(jiān)測(cè)技術(shù)可以提高結(jié)構(gòu)的安全性和服役壽命并降低維護(hù)費(fèi)用。在飛行器結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，撞擊監(jiān)測(cè)的應(yīng)用還而臨許多挑戰(zhàn)，包括:如何對(duì)撞擊位置進(jìn)行快速定位，以便對(duì)可能的損傷位置進(jìn)行檢測(cè);如何估計(jì)撞擊載荷時(shí)間歷程或撞擊

2、能量，從而對(duì)撞擊損傷的大小進(jìn)行評(píng)估;如何開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)撞擊事件的撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。針對(duì)被動(dòng)式撞擊監(jiān)測(cè)技術(shù)，本文研究了撞擊監(jiān)測(cè)的相關(guān)問(wèn)題，包括撞擊位置、撞擊載荷、撞擊能量的識(shí)別問(wèn)題，以及撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成，主要研究工作包括以下幾方面:
　　首先，介紹了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究背景和研究意義，并分析和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)有問(wèn)題，提出了本文的研究?jī)?nèi)容、論文結(jié)構(gòu)和技術(shù)路線。
　　第二，分析了信號(hào)處理技術(shù)并提出了一種基

3、于信號(hào)能量衰減的定位方法。研究了薄板中應(yīng)力波的傳播特性，并推導(dǎo)了壓電傳感器電壓響應(yīng)和結(jié)構(gòu)應(yīng)變的傳遞關(guān)系，分析了時(shí)域、頻域和時(shí)頻域的信號(hào)處理技術(shù);然后提出了基于信號(hào)能量衰減的加權(quán)重心法，此方法可以避免提取難于精確獲得的波達(dá)時(shí)間和波速，從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了此方法的可行性。
　　第三，針對(duì)加筋復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的撞擊識(shí)別問(wèn)題，研究了基于信號(hào)功率分布面的定位方法和基于系統(tǒng)辨識(shí)的撞擊載荷重構(gòu)方法。針對(duì)撞擊位置識(shí)別問(wèn)題，提出了兩步法來(lái)估計(jì)撞擊位置，

4、完善了基于信號(hào)功率分布面的定位方法;撞擊載荷的重構(gòu)采用系統(tǒng)辨識(shí)方法，通過(guò)分析系統(tǒng)辨識(shí)方法巾傳遞函數(shù)的模型階次和相關(guān)性系數(shù)的關(guān)系，完善了模型階次選擇的原則。
　　第四，提出了一種精確估計(jì)撞擊位置和撞擊載荷的方法。通過(guò)構(gòu)建撞擊位置和傳感器信號(hào)的基向量，可以準(zhǔn)確的識(shí)別撞擊位置;此方法具有較好的識(shí)別精度，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且基向量可以進(jìn)行擴(kuò)展，可以選擇撞擊源不同的信號(hào)特征。利用簡(jiǎn)化維數(shù)的傳遞函數(shù)可以估計(jì)撞擊載荷時(shí)間歷程。軟錘頭和硬錘頭是兩

5、種常見(jiàn)的典型錘頭，故研究了兩種不同撞擊物的撞擊識(shí)別。在環(huán)氧基玻璃纖維平板結(jié)構(gòu)上驗(yàn)證了此方法的有效性。
　　第五，提出了一種撞擊能量識(shí)別方法。關(guān)于撞擊能量的識(shí)別，前人研究的比較少，還沒(méi)有一個(gè)完善的撞擊能量識(shí)別方法。首先，通過(guò)信號(hào)特征分析，獲得了不同撞擊物的應(yīng)力波信號(hào)特征;然后引入基向量來(lái)描述撞擊源的特征，并利用不同的基向量來(lái)識(shí)別不同的撞擊物、撞擊位置和撞擊能量。在復(fù)合材料平板結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法可以有效識(shí)別撞擊源

6、的撞擊位置和撞擊能量，為撞擊能量識(shí)別提供參考。
　　第六，國(guó)內(nèi)關(guān)于撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究還不全面，還沒(méi)有完善的撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，故研發(fā)了一套被動(dòng)式撞擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先根據(jù)功能需求，對(duì)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了軟件和硬件的設(shè)計(jì)與集成。硬件設(shè)計(jì)具有體積小、重量輕、便于安裝和使用的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)有界面操作方便、可移植、計(jì)算效率高的特點(diǎn)。然后，通過(guò)在復(fù)合材料平板結(jié)構(gòu)上的撞擊監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了功能性驗(yàn)證，并在飛行器的加筋復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了撞擊監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)