基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中特征提取技術(shù)與損傷識(shí)別方法的研究.pdf

1、針對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及工作環(huán)境變化時(shí)系統(tǒng)地研究了基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。提出了有效的特征提取技術(shù)與損傷識(shí)別方法，使其更適用于工程實(shí)踐。
　　首先綜述了基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究概況、結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的各個(gè)模式與缺陷相互作用的現(xiàn)象、用于提取導(dǎo)波信號(hào)特征的信號(hào)處理技術(shù)和結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別方法幾個(gè)方面的國(guó)內(nèi)外研究成果和發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容、方法、路線以及結(jié)構(gòu)綱要。
　　利用動(dòng)態(tài)有限元方法，研究薄鋁板中的

2、低頻蘭姆波的基礎(chǔ)階對(duì)稱(S0)模式和基礎(chǔ)階反對(duì)稱(A0)模式與切縫缺陷和孔洞缺陷的相互作用現(xiàn)象。利用圓柱坐標(biāo)系把節(jié)點(diǎn)位移沿缺陷所散射的波信號(hào)的傳播方向和垂直于該方向進(jìn)行正交分解。分別采用徑向板內(nèi)位移(Uh)、板外位移(Uz)和垂直于徑向的板內(nèi)位移(Uv)描述缺陷散射的S0模式、A0模式和基礎(chǔ)階剪切(SH0)模式。在缺陷周圍的波場(chǎng)內(nèi)校對(duì)缺陷散射的能量在不同角度的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)上的分布。結(jié)果表明在某些損傷情形下缺陷散射的S0模式、A0模式和SH0

3、模式的能量并不隨缺陷尺寸的單調(diào)變化而單調(diào)變化。因此不能僅從缺陷所散射的能量大小推斷缺陷的大小。根據(jù)各個(gè)模式的傳播群速度推斷S0模式與厚度方向通透的切縫缺陷和孔洞缺陷相互作用時(shí)，不僅生成散射的S0模式，而且S0模式轉(zhuǎn)換后生成SH0模式。A0模式與厚度方向通透的切縫缺陷和孔洞缺陷相互作用時(shí)僅生成散射的A0模式。在較小頻厚積(小于1MHz·mm)的情況下，S0模式更適合用于利用主動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行損傷識(shí)別的研究。對(duì)蘭姆波與缺陷相互作用現(xiàn)象的研究

4、有助于進(jìn)一步研究提取代表?yè)p傷信息的信號(hào)特征技術(shù)和相應(yīng)的損傷識(shí)別方法。
　　為實(shí)現(xiàn)基于導(dǎo)波的旋轉(zhuǎn)圓柱結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，提出了一個(gè)圓柱模型和相應(yīng)的損傷識(shí)別方法。當(dāng)該圓柱模型存在不同缺陷時(shí)，基于動(dòng)態(tài)有限元方法定義并校對(duì)所感應(yīng)的縱(L)波的反射系數(shù)和殘余系數(shù)。仿真結(jié)果表明殘余系數(shù)可以作為一個(gè)有效的特征參數(shù)用于損傷識(shí)別。這種損傷識(shí)別方法在實(shí)驗(yàn)中得以驗(yàn)證。利用一個(gè)圓形的薄鋁板模擬該圓柱模型的徑向切片。兩個(gè)圓形的壓電應(yīng)變片(piezoelectr

5、ic transducer，PZT)分別固定在鋁板上下表面的圓心位置用于激勵(lì)和采集導(dǎo)波信號(hào)。在無(wú)缺陷(基準(zhǔn))狀態(tài)下和有缺陷(檢測(cè))狀態(tài)下從導(dǎo)波信號(hào)中提取第一階基本模式分量(intrinsic mode function，IMF)作為信號(hào)特征，并進(jìn)行比較以校對(duì)S0模式的殘余系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的一致性驗(yàn)證了所提出的損傷識(shí)別方法的有效性，并且為實(shí)現(xiàn)基于導(dǎo)波的旋轉(zhuǎn)圓柱結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
　　為實(shí)現(xiàn)在寬帶噪聲干擾的工作環(huán)境下的

6、損傷識(shí)別，提出一種合理的特征提取技術(shù)。利用分譜處理(split spectrum processing，SSP)算法，通過(guò)比較基準(zhǔn)波信號(hào)(結(jié)構(gòu)無(wú)缺陷時(shí)所采集的波信號(hào))和檢測(cè)波信號(hào)(結(jié)構(gòu)有缺陷時(shí)所采集的波信號(hào))的瞬時(shí)幅值變化度(instantaneous amplitude variation degree，IAVD)來(lái)提取代表?yè)p傷信息的信號(hào)特征。通過(guò)評(píng)估缺陷散射的S0模式的飛行時(shí)間(time-of-flight，ToF)，最終實(shí)現(xiàn)基于導(dǎo)

7、波的損傷識(shí)別。首先在理想的工作環(huán)境中(無(wú)噪聲)，對(duì)無(wú)缺陷的鋁板進(jìn)行檢測(cè)。然后在不同的工作環(huán)境中(無(wú)噪聲和有噪聲)檢測(cè)帶有切縫缺陷的鋁板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)檢測(cè)波信號(hào)的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)較低時(shí)，噪聲能量嚴(yán)重干擾了檢測(cè)波信號(hào)的能量分布。然而，SSP算法所提取的檢測(cè)波信號(hào)的IAVD幾乎不受噪聲的干擾。因此利用SSP算法能夠有效地抵抗寬帶噪聲的干擾，精確地評(píng)估缺陷散射的S0模式的ToF，并進(jìn)一步結(jié)合三角定

8、位算法成功地定位出鋁板中的切縫缺陷。
　　針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，為了避免在分析蘭姆波信號(hào)時(shí)由激勵(lì)和采樣的時(shí)間非同步性以及基準(zhǔn)狀態(tài)下和檢測(cè)狀態(tài)下激勵(lì)波信號(hào)的差異所導(dǎo)致的損傷識(shí)別誤差提出了一個(gè)基于導(dǎo)波能量譜的相關(guān)性分析來(lái)校對(duì)傳感路徑損傷指數(shù)(damage index，DI)的方法。分別依據(jù)兩種方案校對(duì)DI，并把所校對(duì)的DI作為代表?yè)p傷信息的特征參數(shù)。方案I：分析一條傳感路徑在基準(zhǔn)狀態(tài)下與檢測(cè)狀態(tài)下感應(yīng)波信號(hào)能量譜的相關(guān)性，并把相關(guān)系數(shù)作為所校

9、對(duì)的該條傳感路徑的DI。方案II：校對(duì)一條傳感路徑激勵(lì)波信號(hào)與感應(yīng)波信號(hào)能量譜的相關(guān)系數(shù)，檢測(cè)狀態(tài)下相關(guān)系數(shù)相對(duì)于基準(zhǔn)狀態(tài)下相關(guān)系數(shù)的變化量被作為該條傳感路徑的DI。實(shí)驗(yàn)中分別結(jié)合依據(jù)方案I和方案II所校對(duì)的DI與損傷診斷成像算法定位帶有加強(qiáng)筋的碳纖維復(fù)合材料板上的錐形孔缺陷。利用加權(quán)分布函數(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中各條傳感路徑所校對(duì)的DI值被映射到檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的各個(gè)離散坐標(biāo)上，構(gòu)建了缺陷出現(xiàn)在這些離散坐標(biāo)上的概率圖像。結(jié)果表明，這種基于導(dǎo)波能量譜

10、相關(guān)性分析的方法可以避免信號(hào)激勵(lì)和采樣的時(shí)間同步性影響；方案II相比于方案I可以更有效地避免由基準(zhǔn)狀態(tài)下和檢測(cè)狀態(tài)下激勵(lì)波信號(hào)的差異所導(dǎo)致的識(shí)別誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中缺陷的精確識(shí)別。
　　為實(shí)現(xiàn)不參考基準(zhǔn)狀態(tài)信息的損傷識(shí)別技術(shù)，并盡量減少傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感路徑的數(shù)量以識(shí)別多缺陷，提出一個(gè)結(jié)合時(shí)間逆轉(zhuǎn)的蘭姆波與損傷診斷成像算法的損傷識(shí)別方法。通過(guò)分析在時(shí)間逆轉(zhuǎn)過(guò)程中所獲得的重建波形與原始激勵(lì)的調(diào)幅脈沖之間的波形扭曲來(lái)校對(duì)基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)的

11、DI，并把所校對(duì)的DI作為代表?yè)p傷信息的特征參數(shù)。利用動(dòng)態(tài)有限元方法在無(wú)缺陷和有不同切縫缺陷(不同長(zhǎng)度)的鋁板中研究蘭姆波的時(shí)間可逆性，并評(píng)估這個(gè)基于時(shí)間逆轉(zhuǎn)的DI對(duì)損傷識(shí)別的有效性。實(shí)驗(yàn)中，在環(huán)境溫度變化的情況下利用所提出的損傷識(shí)別方法診斷一個(gè)帶有雙切縫缺陷的鋁板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法不但不需要參考基準(zhǔn)狀態(tài)信息，而且可以利用較少數(shù)量的傳感路徑精確地識(shí)別多缺陷。
　　本文對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及在變化的工作環(huán)境中波信號(hào)的特征提取技術(shù)