基于譜元法的導(dǎo)波傳播機(jī)理及結(jié)構(gòu)損傷識別研究.pdf

1、重大工程項(xiàng)目如航空航天、機(jī)械以及土木工程結(jié)構(gòu)中損傷的存在會影響結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，甚至引起災(zāi)難性的后果。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)能提供有關(guān)結(jié)構(gòu)健康狀況的實(shí)時信息，近年來成為工程界和學(xué)術(shù)界研究的一個熱點(diǎn)?；趯?dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是通過埋入結(jié)構(gòu)或者粘貼在結(jié)構(gòu)表面的作動器和傳感器激勵并接收結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波信號并進(jìn)行分析，從而對結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行判斷。因此對結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播機(jī)理以及波與損傷作用規(guī)律的了解是基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究的基礎(chǔ)。
　　

2、本文系統(tǒng)地把譜元法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，建立了結(jié)構(gòu)的譜元法模型、壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型以及損傷模型，對金屬材料以及多層碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的傳播機(jī)理、波的激勵與接收以及波與損傷的作用規(guī)律進(jìn)行研究，并提出了一種基于環(huán)形壓電陣列的板結(jié)構(gòu)損傷圖像定量化重建方法。
　　 論文首先概述了基于導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播機(jī)理的分析方法，并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了波與不同結(jié)構(gòu)中不同形式損傷的作用及壓電晶片

3、與結(jié)構(gòu)耦合的研究方法，介紹了導(dǎo)波信號處理技術(shù)和基于導(dǎo)波的損傷識別方法。
　　 以三維譜單元的形成過程為例建立了模擬結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播的譜元法模型，并根據(jù)譜元法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，建立了壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型，分析了算法穩(wěn)定性和計算效率等問題，介紹了相關(guān)的計算過程。對本文中所涉及到的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并對相關(guān)激勵參數(shù)進(jìn)行了分析。
　　 建立了各向同性梁結(jié)構(gòu)的二維譜元法模型和壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型，研究了結(jié)構(gòu)中Lamb

4、波的頻散關(guān)系；通過單點(diǎn)激勵力模型對比，研究了在施加電壓條件下結(jié)構(gòu)中Lamb波的傳播規(guī)律；基于壓電晶片模型分析了Lamb波的模式選擇、波的幅值隨激勵頻率的變化關(guān)系等問題；通過實(shí)驗(yàn)采集和譜元法模型計算得到的Lamb波信號對鋁合金梁結(jié)構(gòu)中損傷進(jìn)行了估計。
　　 發(fā)展了模擬結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播的三維譜元法模型，并建立了壓電晶片-結(jié)構(gòu)耦合模型，對鋁合金板結(jié)構(gòu)中Lamb波的傳播機(jī)理進(jìn)行了研究?；趬弘娋Ｐ脱芯苛嗽谑┘与妷杭顥l件下板結(jié)構(gòu)中La

5、mb波的傳播規(guī)律。采用減小結(jié)構(gòu)單元剛度的方法模擬結(jié)構(gòu)中的損傷，研究了Lamb波與損傷的作用規(guī)律。最后通過實(shí)驗(yàn)對得到的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。最終結(jié)果證明，同二維譜元法模型相比，三維譜元法模型能更真實(shí)地對結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波的激勵與接收以及波的傳播進(jìn)行模擬。
　　 揭示了橫截面尺寸較大的三維厚梁中導(dǎo)波的傳播機(jī)理，提出了對此類結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行識別時頻率選擇原則。對不同激勵頻率下不同厚度梁結(jié)構(gòu)中導(dǎo)波傳播規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)中剪切波的波長約大于梁厚度的

6、二倍時，由于導(dǎo)波的波長和梁的厚度相近引起的局部對稱模式受到抑制，導(dǎo)波沿著梁的長度方向傳播，這時結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波可以被認(rèn)為是Lamb波。因此對此類梁結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行識別時，可根據(jù)這一原則選擇合適的激勵頻率，得到簡單的導(dǎo)波模式。通過節(jié)點(diǎn)分離法對結(jié)構(gòu)中的橫向裂紋進(jìn)行了模擬，分析了導(dǎo)波與損傷的作用規(guī)律。最后通過實(shí)驗(yàn)對得到的結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 基于所建立的多層碳纖維復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的二維譜元法模型，揭示了Lamb波在結(jié)構(gòu)中的傳播機(jī)理以及與分

7、層損傷作用規(guī)律。分別對基礎(chǔ)階對稱模式(S0)和反對稱模式(A0)與分層損傷的作用過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)分層損傷存在時，波的反射主要發(fā)生在分層損傷的遠(yuǎn)端；A0模式對位于任何層間界面上的分層損傷都比較敏感，相對S0模式更適合對結(jié)構(gòu)中分層損傷的識別，特別是分層損傷位于對稱中面時；反射系數(shù)和透射系數(shù)是分層損傷長度與波長比值的函數(shù)，表現(xiàn)為波狀曲線；提出了一種對碳纖維復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)中分層損傷進(jìn)行定量化識別的方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

8、　　 發(fā)展了多層碳纖維復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)精確的三維譜元法模型，揭示了板中Lamb波的傳播機(jī)理及與分層損傷作用規(guī)律。對三種類型的碳纖維復(fù)合材料板即單向板[08]，對稱正交板[02/902]s和準(zhǔn)各向同性板[+45/-45/0/90]中Lamb波的傳播機(jī)理進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，多層碳纖維復(fù)合材料板中的導(dǎo)波，即使是基礎(chǔ)階模式即對稱模式(S0)、反對稱模式(A0)和水平剪切模式(SH0)，其傳播特性也較為復(fù)雜。對Lamb波與碳纖維復(fù)合材料板中

9、分層損傷的作用規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在相同的激勵頻率下反對稱模式比對稱模式對損傷更為敏感；分層損傷對透射信號的影響較大。
　　 考慮板內(nèi)傳播的Lamb波幅值與其傳播距離的關(guān)系，提出了一種基于環(huán)形壓電陣列的定量化損傷圖像重建方法，并通過實(shí)驗(yàn)中環(huán)形壓電陣列各傳感單元采集得到的信號對板中損傷圖像進(jìn)行重建，分析了不同距離和損傷程度的損傷對壓電陣列總響應(yīng)幅值極大值的影響，從而證明所提出的方法可以對板結(jié)構(gòu)中損傷位置和損傷程度進(jìn)行定量化地估