復合材料結構的低速撞擊監(jiān)測研究.pdf

1、飛行器結構在制造、維修和使用過程中不可避免地要受到低速撞擊載荷，造成的撞擊損傷會降低結構的承載能力。復合材料在航空航天等工程領域得到了廣泛應用，復合材料受到撞擊后會產生目不可檢的損傷，這對結構的安全性和完整性造成極大威脅。撞擊監(jiān)測技術可以提高結構的安全性和服役壽命并降低維護費用。在飛行器結構的被動式結構健康監(jiān)測中，撞擊監(jiān)測的應用還而臨許多挑戰(zhàn)，包括:如何對撞擊位置進行快速定位，以便對可能的損傷位置進行檢測;如何估計撞擊載荷時間歷程或撞擊

2、能量，從而對撞擊損傷的大小進行評估;如何開發(fā)一個能夠實時監(jiān)測撞擊事件的撞擊監(jiān)測系統(tǒng)等。針對被動式撞擊監(jiān)測技術，本文研究了撞擊監(jiān)測的相關問題，包括撞擊位置、撞擊載荷、撞擊能量的識別問題，以及撞擊監(jiān)測系統(tǒng)的設計與集成，主要研究工作包括以下幾方面:
　　首先，介紹了結構健康監(jiān)測技術的研究背景和研究意義，并分析和總結了國內外研究現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)有問題，提出了本文的研究內容、論文結構和技術路線。
　　第二，分析了信號處理技術并提出了一種基

3、于信號能量衰減的定位方法。研究了薄板中應力波的傳播特性，并推導了壓電傳感器電壓響應和結構應變的傳遞關系，分析了時域、頻域和時頻域的信號處理技術;然后提出了基于信號能量衰減的加權重心法，此方法可以避免提取難于精確獲得的波達時間和波速，從理論和實驗上驗證了此方法的可行性。
　　第三，針對加筋復合材料結構的撞擊識別問題，研究了基于信號功率分布面的定位方法和基于系統(tǒng)辨識的撞擊載荷重構方法。針對撞擊位置識別問題，提出了兩步法來估計撞擊位置，

4、完善了基于信號功率分布面的定位方法;撞擊載荷的重構采用系統(tǒng)辨識方法，通過分析系統(tǒng)辨識方法巾傳遞函數(shù)的模型階次和相關性系數(shù)的關系，完善了模型階次選擇的原則。
　　第四，提出了一種精確估計撞擊位置和撞擊載荷的方法。通過構建撞擊位置和傳感器信號的基向量，可以準確的識別撞擊位置;此方法具有較好的識別精度，適用于復雜結構，并且基向量可以進行擴展，可以選擇撞擊源不同的信號特征。利用簡化維數(shù)的傳遞函數(shù)可以估計撞擊載荷時間歷程。軟錘頭和硬錘頭是兩

5、種常見的典型錘頭，故研究了兩種不同撞擊物的撞擊識別。在環(huán)氧基玻璃纖維平板結構上驗證了此方法的有效性。
　　第五，提出了一種撞擊能量識別方法。關于撞擊能量的識別，前人研究的比較少，還沒有一個完善的撞擊能量識別方法。首先，通過信號特征分析，獲得了不同撞擊物的應力波信號特征;然后引入基向量來描述撞擊源的特征，并利用不同的基向量來識別不同的撞擊物、撞擊位置和撞擊能量。在復合材料平板結構上進行了實驗驗證，實驗結果表明此方法可以有效識別撞擊源

6、的撞擊位置和撞擊能量，為撞擊能量識別提供參考。
　　第六，國內關于撞擊監(jiān)測系統(tǒng)研究還不全面，還沒有完善的撞擊監(jiān)測系統(tǒng)，故研發(fā)了一套被動式撞擊監(jiān)測系統(tǒng)。首先根據(jù)功能需求，對整機系統(tǒng)進行了軟件和硬件的設計與集成。硬件設計具有體積小、重量輕、便于安裝和使用的特點，軟件設計有界面操作方便、可移植、計算效率高的特點。然后，通過在復合材料平板結構上的撞擊監(jiān)測實驗，對該系統(tǒng)進行了功能性驗證，并在飛行器的加筋復合材料結構上進行了撞擊監(jiān)測實驗，實驗