复合板缺陷的空耦Lamb波扫描仿真与成像研究

针对当前空耦Lamb波缺陷检测的不足,通过有限元仿真与实验验证的方法,对多种复合板缺陷类型的空耦Lamb波扫描成像进行了研究。首先,利用ABAQUS建立了Lamb波在复合板内的三维传播模型,基于该模型研究了空耦Lamb波在不同类型复合板缺陷扫描检测下的衰减特性,仿真结果表明,根据Lamb波扫描信号可以识别出缺陷在扫描方向上的位置与尺寸;然后,基于仿真结果制定了空耦Lamb波扫描实验方案,搭建了扫描实验系统,从两个相互正交的方向对复合板进行扫描检测,通过比较仿真和实验结果,验证了有限元模型的正确性;最后,根据概率损伤算法得到了扫描区域内的缺陷图像,成像结果表明,基于扫描检测的空耦Lamb波缺陷成像方法可以有效识别出多种复合板缺陷的尺寸、形状和损伤程度。     

无基准Lamb波时间反转损伤概率成像监测方法

根据损伤散射信息进行结构损伤特征参数提取与损伤监测,是Lamb波结构健康监测研究中的最为有效的方法之一,而目前常用的有基准差信号提取损伤散射信号技术在应用中存在实用性差的问题.采用Lamb波时间反转聚焦原理,结合损伤概率思想,提出了无基准损伤概率成像监测方法.利用信号时间反转处理对波源的自适应聚焦机理,消除Lamb波的频散效应;并根据单模式Lamb波响应信号的各波包在时反聚焦信号中的相对时刻,提取损伤散射信号的传播时间,以此计算出结构中各点出现的损伤概率,从而实现对损伤的成像、定位和监测.在金属铝板结构上的实验表明,该方法可在无需基准信号的情况下,较为清晰地分离出损伤散射信号和信息,得到结构各点的损伤概率图像,有助于结构健康监测的实用化.     

基于匹配追踪的蜂窝夹层复合材料损伤检测

基于Lamb波和匹配追踪时频分析方法,提出一种损伤成像方法,对蜂窝夹层复合材料结构进行损伤监测.首先针对Lamb波传播的特点,提出了匹配追踪方法的快速实现方案,该方法能准确地匹配失真变形的窄带脉冲信号,并识别Lamb波的模态;然后对由压电传感器采集到的Lamb波信号,采用匹配追踪方法提取特征信息,得到Lamb波的能量分布;在此基础上,考虑Lamb波在各向异性结构中传播速度的影响,将损伤处的散射波能量分布和各像素点对比度联系起来,得到损伤图像,将损伤的情况可视化.通过蜂窝夹层复合材料结构实验验证了该方法的可行性和有效性.     

基于单激发端多接收端压电阵列的板内损伤检测

基于超声导波技术研究了板状结构的损伤检测。理论分析了平板中Lamb波的传播特点;利用有限元耦合场模拟方法模拟了平板中Lamb波的传播及裂纹对Lamb波的影响;根据有限元模拟结果,分析了裂纹尺寸对Lamb波传播的影响;为检测损伤的位置,建立了单激发端多接收端的压电阵列;结合概率成像算法,建立了损伤分布场,该分布场的成像结果直观地反映了损伤的位置和严重程度。     

基于Lamb波时间反转法的复合材料损伤检测

为检测复合材料损伤,利用Lamb波时间反转法的聚焦特性,在复合材料布置压电传感器激励和接收Lamb波。时间反转法无需对比基准信号就能快速准确地实现损伤的判别,提出的改进损伤成像方法可实现损伤情况可视化。实验研究验证了检测方法的有效性和改进损伤成像方法的优越性。     

基于激光激励技术的结构损伤成像

采用了一种新型的损伤检测技术,利用激光脉冲在板类结构中产生热弹效应,激发出板中的导波（Lamb波）。通过分析Lamb波的传播状态与损伤之间的关系,并利用Morlet复数小波变换和频散补偿能量聚焦的方法,从两个不同的角度分析信号并提取信号特征,实现了对平板结构的快速、大面积检测。实验结果表明,该系统具有较高的测量精度,能较好地检测结构缺陷。     

基于Lamb波的复合材料结构损伤成像研究

本文基于Lamb波和时频分析方法，提出了一种损伤成像方法，对复合材料结构进行在线的连续监测。首先通过高阶板理论建立了Lamb波在各向异性复合材料层板中随传播角度变化的频散关系，得到Lamb波的理论速度分布，为损伤成像提供基准信息；然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析，提取特征信息，得到散射波的能量分布；在此基础上通过考虑各向异性对Lamb波传播速度的影响，将散射波的能量分布与各个像素点的对比度关联起来，得到损伤的图像，将损伤的情况可视化。同时建立了原型结构健康监测系统，实验研究表明了本文所提出方法的可应用性和有效性。     

仿真驱动下的压力容器封底多损伤快速定位方法

面向大型压力容器特种设备的球形封底结构,传统的无损检测较难完成在役大型储底部的在线损伤检测。压电陶瓷传感器（PZT）能够同时激发和接收Lamb波实现大面积区域的损伤检测。文章利用压电陶瓷传感器构造了均匀圆心阵列,并提出了一种仿真数据驱动的压力容器球形封底多损伤快速定位方法。首先,对在半球形封底结构模型上建立阵列Lamb波信号的传播模型,利用阵列导向矢量构造圆心阵列稀疏特征;其次,在ABAQUS有限元软件中建立压力容器封底有限元分析模型,获取虚拟阵列稀疏特征库;最后,将损伤信号的阵列转向向量与虚拟阵列稀疏特征库进行相似性比较,通过损伤成像快速确定损伤信号的位置。数值和实验结果都验证了基于虚拟阵列稀疏特征建模的多损伤定位方法能够有效地监测轴对称结构,且精度较高。     

核密度估计法在板件概率损伤识别中的应用

基于谱元法将核密度估计方法用于解决结构的损伤识别,从而得到了损伤位置的概率密度函数。通过建立压电-结构耦合的三维谱元法模型,模拟Lamb波在铝板完好及损伤结构中的传播过程。利用连续小波变换计算响应信号在传感器之间的飞行时间,得到Lamb波在结构中的传播速度。通过对Rayleigh-Lamb方程的数值分析,得到Lamb波的理论传播速度,并将其与谱元法得到的结果进行对比,证实了谱元法模型的准确性。在椭圆定位技术的基础上,考虑环境不确定性对测量信号的影响,引入核密度估计方法将损伤位置识别转化为一种概率性问题。讨论了3种噪声水平情况下的损伤位置的概率密度函数,并给出了最终识别的结果。结果表明,核密度估计方法能够有效地识别出损伤位置,最大误差在5%左右。     

主动Lamb波合成波阵面损伤成像监测方法

对基于压电阵列的主动Lamb波结构健康监测技术进行了研究.分析了主动Lamb波损伤监测过程中损伤散射信号的特点,在已有研究成果基础上,研究提出合成波阵面损伤成像方法.利用压电阵列合成激励波阵面实现对Lamb波损伤散射信号的相干增强,给出了基本原理和实现技术;结合时间反转理论,给出了基于合成波阵面激励的损伤成像监测方法;在复合材料板结构上进行了实验研究,并与传统的单一压电片激励方法进行了分析和对比,实验结果表明,合成波阵面损伤成像监测方法能够有效提高Lamb波损伤散射信号的能量和监测的质量,增强抗干扰能力,同时对该方法存在的问题和解决办法进行了简单分析.     

Lamb波与瞬时相位技术在损伤识别中的应用

采用主动Lamb监测技术与瞬时相位相结合的方法对复合材料板进行健康监测。首先通过仿真试验,模拟损伤信号在正常信号中的叠加,结果表明其会引起瞬时相位曲线相应的变化;然后再利用Lamb波主动监测技术,在复合材料板上进行试验采集信号,其瞬时相位能够发现板结构中的损伤,说明瞬时相位可应用于结构的损伤识别。     

基于Lamb波的压电陶瓷/环氧树脂复合材料传感器制备及应用

风力机叶片、飞机机翼等结构均为大面积曲面板类结构,基于Lamb波的结构健康检测技术对细微损伤比较敏感,是目前最具应用前景的技术之一。传统的Lamb波传感器大都采用PZT陶瓷制成,质地脆且硬度大,不能适应于曲面结构检测。将PZT陶瓷粉末与环氧树脂复合制备了一种新型柔性0-3型压电复合材料,研究了质量比、极化电场、极化温度和极化时间等因素对压电复合材料性能参数的影响,开展了多因素正交实验来确定材料制备的最优极化工艺参数。实验研究了该压电复合材料制成的传感器对Lamb波的传感响应特性,与现有的MFC、PVDF和传统压电片等传感元件的响应特性进行了对比分析。将制备的传感器应用于翼型曲面板,利用椭圆定位方法进行损伤检测。研究结果表明,PZT陶瓷/环氧树脂压电复合材料传感器具有良好的传感响应特性,能够很好地贴合于曲面板表面,与只能部分耦合于曲面板的传统压电片相比,采集的Lamb波信号更加准确,从而为曲面板类结构健康监测提供一种新型的柔性压电传感技术。     

Computer-aided hybrid time reversal process for structural health monitoring

For structural health monitoring (SHM) applications, this paper proposes a new baseline-free time reversal process (TRP)-based SHM technique. The newly proposed technique is characterized by two key features: the hybrid TRP (HTRP) and the diagnostic digital imaging method. In the conventional TRP (CTRP), the forward and backward processes are all conducted by the measurement using piezoelectric actuators and sensors. However, in the proposed HTRP, the backward process is conducted by the computer-aided computational approach while the forward process is conducted by the same measurement approach as used for CTRP. As a benefit of the computer-aided backward process, some Lamb wave modes which do not carry any damage information can be removed to obtain the refined reconstructed signals which are finally used for the damage diagnosis: this can make the remaining signal processing for the damage diagnosis much efficient. In contrast to the previous CTRP-based damage diagnosis methods where the pattern comparison methods have been widely used, the digital imaging method is used in the proposed SHM technique to detect damages by using the time-of-arrivals of the wave packets generated by the damages.     

基于递归量化观测的复合材料损伤贝叶斯估计方法

针对复合材料损伤定位定量识别中损伤指数构建困难与损伤预测的不确定性问题,提出一种基于递归量化特征观测的 损伤状态贝叶斯概率估计方法。 该方法无需基准无损信号参考与损伤波包识别,采用 Lamb 波信号的递归量化分析(RQA)特 征,从结构非线性动力学角度对复材板内部损伤进行观测,根据特征与损伤位置大小的相关性与单调性进行了敏感特征筛选。 根据各传感路径信号的 RQA 特征与损伤形态参量间的线性/ 非线性关联特性,采用多变量二次交互模型建立了损伤状态的特 征描述空间。 综合考虑各传感路径中 RQA 特征对损伤观测的不确定因素,建立了复材板损伤状态的观测模型,采用贝叶斯更 新算法对复材板损伤位置尺寸进行估计。 复材板的脱层损伤仿真分析结果表明,本文提出方法无需分析结构损伤与 Lamb 波 的复杂交互机制,就能同步实现复材板内部损伤的量化评估与定位分析,估计出的损伤位置大小在仿真模型的损伤参数设定值 的 75% 置信区间内,损伤估计成像区域与仿真损伤区域相符合。 复合材料板的疲劳损伤试验分析结果表明,采用本文方法经过 24 次迭代更新后,得到的损伤面积与大小完全覆盖了 X 射线扫描检测的真实损伤。 该方法充分考虑了复材板损伤评估中的不 确定因素,更加贴合复合材料结构损伤检测与评估的工程实际应用,具有较好的应用前景。     

Damage identification in composite materials using ultrasonic based Lamb wave method

The paper presents an ultrasonic based Lamb waves propagation method for identifying and measuring the damage location in a material for SHM. The present work determines the experimental and analytical effects of various parameters on the sensitivity of damage detection and a methodology is proposed for estimating and measuring the location of damage in the test specimens. An experimental setup is used for generating A_o Lamb waves by calibrating ultrasonic pulse generation for optimal value of the parameters. The experiment is performed on two carbon fiber reinforced plastic bars in both undamaged and damaged state, where the two damaged states are (1) having a cut partway through the bar, perpendicular to the long axis of the bar and (2) having a circular hole. The Lamb wave propagation parameters are calibrated using the ultrasonic pulse generator test setup and the method was compared with direct measured values of ultrasonic instrument.