结构裂纹损伤的Lamb波层析成像监测与评估研究

结构健康监测研究中,板壳类结构裂纹损伤监测一直是研究的热点。采用基于相关性分析的概率损伤重构算法(Reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage,RAPID),对结构裂纹损伤监测进行研究。利用RAPID算法中采用信号之间的差异性进行损伤识别和重构,克服了Lamb波复杂多模传播特性对信号分析的影响。在此基础上提出一种改进的RAPID算法,根据裂纹损伤对Lamb波监测信号的反射及散射作用,通过校正损伤区域中裂纹方向上的信号差异系数值(Signal difference coefficient,SDC),强化裂纹方向上的重构图像信息,实现对裂纹损伤的图像重构,并由接收端SDC分布图评估出裂纹的长度。试验结果表明,该方法能较为准确地实现对裂纹损伤的直观图示,重构出的裂纹层析图像能很好地反映裂纹的信息,实现方向及长度的评估,可用于对裂纹损伤的定量评估和扩展监测。     

方向性损伤的Lamb波压电线阵扫描成像与评估

对方向性损伤的Lamb波定量监测与评估方法进行了研究,采用了线性压电阵列布置方法,基于传感阵列各阵元捕获到的Lamb波损伤散射信号之间的相位情况,扫描方向性损伤反射信号的相位延迟信息,实现损伤和方向中心位置的判定。根据判定损伤方向,通过线阵旋转处理,研究改进了时间反转损伤成像评估方法,实现对方向性损伤的成像和评估。在铝板结构上的实验研究表明,该方法可以实现对损伤方位和尺寸的定量评估,较现有成像方法具有更好的抗干扰性和准确性。     

基于Lamb波时间反转的复合材料结构损伤监测

采用Lamb波时间反转法,对复合材料结构进行在线连续健康监测。利用板中Lamb波时间反转法的原理和自聚焦特点,运用时间反转方法,通过传感器网络的布置,激励并接收Lamb波,从而对复合材料结构实现损伤监测。该方法无需结构无损情况的基准信号,能够对有损结构进行快速的损伤定位及损伤大小判断。采用改进的RAPID算法进行损伤成像,得到的损伤图像可将损伤情况可视化。实验研究表明所提方法可行和有效。     

主动Lamb波中的空间滤波器结构健康监测

针对主动Lamb波结构健康监测技术在应用中容易受到Lamb波复杂传播特性的影响,监测信号的信噪比较低的问题,提出了空间滤波器方法的基本原理和实现方法,利用压电线阵得到传感信号之间的相干性,实现对有用信号的相干聚焦增强,监测损伤位置并成像,能够实现对特定方向的扫描.分析了空间滤波器的基本原理,给出了用于离散压电线阵的空间滤波器实现形式,并对该方法进行了试验研究,在碳纤维板结构上的试验结果表明,该方法可以有效实现损伤散射信号的聚焦增强,成像突出显示损伤所在方位和位置,提高信号的信噪比,具有一定的工程应用价值.     

基于状态空间特征提取的微裂纹定量检测

非线性超声法对机械结构微裂纹检测的敏感性与有效性较好,但传统非线性超声法一般不能实现微裂纹定量检测。针对此问题,提出一种针对微裂纹的定量检测方法,通过提取裂纹引发的构件状态空间改变量以对裂纹进行识别、定量检测。该方法采用激光束与待测构件相互作用激发超声波,对其时域响应信号重构表征构件动态特性的状态空间,提取非线性特征参数巴氏距离(bhattacharyya distance,简称BD)对状态空间变量进行分析以对裂纹进行识别,进而利用扫描法实现裂纹的定量检测。通过对铝合金表面不同类型微裂纹的检测实验,验证了该方法对构件表面微裂纹定量检测的有效性。     

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.     

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.     

基于环形阵列的空间滤波器结构损伤扫描监测方法研究

本文提出了一种基于环形阵列的空间滤波器结构损伤扫描监测方法,在结构中央布置环形压电传感器阵列实现对结构的全方位扫描监测,消除了主动Lamb波空间滤波器监测方法中盲区及远场对监测效果的影响。环形阵列由直径方向不同角度的4个线阵组成,每个线阵采用主动Lamb波空间滤波监测方法对结构损伤进行监测、成像,各阵列成像结果通过PCA-小波变换进行融合对损伤位置进行判别,从而实现结构全方位损伤扫描监测,消除单个阵列损伤监测的盲区、远场及虚假成像等影响,进而获得更加准确的损伤监测结果。通过实验研究,验证了该方法的有效性和实用性。     

识别疲劳裂纹损伤的瞬时基准方法研究

传统的基于超声导波的结构健康监测及损伤识别方法是通过对比当前测量信号与结构完好时的基准信号进行损伤识别,但这类基准信号对工况及环境变化十分敏感。为降低对这类基准信号的依赖,提出了一种基于瞬时基准的疲劳裂纹损伤识别方法。利用疲劳裂纹在不同幅值激励下不同的超声非线性特性,以小幅值激励下结构响应为瞬时基准信号,以大幅值激励下结构响应为当前信号,使用比例相减法提取当前信号与瞬时基准信号间的差信号,对疲劳裂纹损伤进行识别。分别以完整铝梁及疲劳裂纹铝梁为实验对象,使用压电片激励和接收应力波信号。实验结果表明,该瞬时基准方法可有效识别疲劳裂纹损伤,而无需结构完好时的基准信号。     

基于相控阵的结构损伤范围监测与图像表征

本文针对碳纤维复合材料机翼盒段监测损伤信号微弱难以有效辨识及结构损伤大小的量化问题,提出基于相控阵的碳纤维复合材料结构损伤识别成像与损伤量化方法。利用Lamb波信号在特定方向上的干涉,实现对结构的定向扫描,提高信号的信噪比;通过划分扇环计算其面积进而量化损伤区域大小,同时分析时间延迟执行过程并分析其对损伤识别误差的影响。采用相控阵监测原理在某型无人机碳纤维复合材料机翼盒段上进行实验研究,识别结构中的损伤,对监测结果进行成像,不仅显示结构中损伤的位置并计算量化损伤区域大小,实验研究证明,采用相控阵原理能够有效精确地识别碳纤维复合材料机翼盒段中损伤,图像表征清晰且量化损伤范围准确。     

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。     

基于Lamb波的平尾大轴裂纹扩展监测

平尾大轴作为在役飞机的主承力构件,其轴内变厚度截面处存在应力集中现象,是疲劳断裂高发的关键部位。针对平尾大轴变截面处裂纹损伤,研究其基于主动Lamb波的裂纹深度在线监测方法。首先,通过线切割制造真实损伤,对压电传感器采集的监测信号进行Shannon连续复数小波变换,去噪提取Lamb波信号;其次,重点研究了不同模式Lamb波的4种损伤因子对大轴裂纹深度的表征能力,结果表明,基于A_0模式的互相关损伤因子对裂纹深度的表征效果最佳;最后,利用A_0模式的互相关损伤因子实现了平尾大轴裂纹萌生及裂纹尺寸的定量化监测,为平尾大轴的在线监测提供了方法基础。     

复合材料T型接头损伤监测的概率成像方法

T型接头是复合材料典型的结构形式和重要的损伤监测部位,但其存在变厚度、内填充以及材料各向异性等复杂结构特性,导致依赖于信号传播速度的延迟-累加等基于压电传感器阵列和Lamb波的结构健康监测成像方法难以实现其损伤的准确监测。针对此问题,研究了一种与信号传播速度无关的损伤概率成像方法。该方法利用压电激励-传感网络通道的损伤因子,通过椭圆轨迹法确定各通道损伤因子的有效影响区域,然后对各通道损伤因子的椭圆影响区域合成进行成像,实现了复合材料T型接头损伤的准确监测,并使用超声C扫描进行了验证。实验结果表明,利用损伤因子可以在线监测复合材料T型接头的健康状态并实现损伤预警,在此基础上利用损伤概率成像方法可以实现损伤位置的判别。     

一种基于宽带激励的虚拟时间反转方法

针对主动Lamb波监测中常见的低信噪比问题和传统时间反转方法降低监测信号空间分辨率的不足,提出一种采用宽带激励求取损伤散射路径传递函数的虚拟时间反转方法并应用于复杂结构的多损伤成像中.理论研究并经实验验证表明该方法不但能够有效实现Lamb波多损伤散射信号在相应损伤处聚焦增强,抑制了边界反射信号和噪声,提高了信噪比,而且与传统时间反转方法相比,提高了损伤聚焦波包的空间分辨率,增强了对于多个损伤的监测能力.最后的成像结果显示虚拟时间反转方法能够改善复杂板结构中两个近邻损伤的成像质量.     

基于微带天线传感器的斜裂纹定量识别算法

在结构健康监测领域中微带天线传感器主要用于定性监测，缺乏结构损伤的定量识别研究。文中提出一种基于微带天线传感器斜裂纹定量识别算法，用于裂纹长度和角度的定量识别。基于谐振腔模型下的电场和电流分布规律，并结合传感器的裂纹识别原理，从裂纹引起的电流绕行路径增量出发，提出投影因子的概念，将斜裂纹对传感器谐振频率的影响转换成相应的垂直裂纹和平行裂纹对谐振频率的影响，据此给出一种斜裂纹的定量识别算法。实验结果表明，所提出的斜裂纹定量识别算法可以很好的得到裂纹长度和角度，其中裂纹长度识别误差为±1mm，裂纹角度识别误差在±4°内。     

基于Lamb波的复合材料板二维损伤定位技术研究

提出一种检测结构二维损伤十字交叉定位的方法,利用Morlet小波变换技术,研究了复合材料层合板结构的损伤振动检测问题。根据绘制出的频散曲线,选择合适的激励频率和周期。通过传感器采集到的结构动态响应信号,判断Lamb波在无损结构中的飞行时间(ToF)和实际群速度;然后根据损伤飞行时间和Lamb波实际群速度,计算损伤的横纵坐标值,对损伤进行象限判断,消除损伤位置判断误差。结果表明,计算损伤位置和实际损伤位置相对误差在1%左右,该方法得到的位置信息是可靠的。     

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。     

基于全模式全聚焦方法的裂纹超声成像定量检测

利用超声成像方法对关注区域成像,对获取缺陷形状、尺度和取向等特征具有重要意义.考虑了21种不同声束路径的模式波,复合叠加各重建点能量最强信号,提出全模式全聚焦方法(FTFM).利用一组探头楔块,通过一次信号采集实现未知裂纹的轮廓重建与定量检测.针对厚度40mm碳钢中长度4mm,中心深度25 mm,取向角度分别为0°、±...     

基于Lamb波传播路径分析的复合材料板中缺陷成像*

板型波导结构中的缺陷对Lamb波的传播会产生干扰,接收信号受干扰程度与缺陷和激励、接收传感器路径间的相对距离有关。提出一种基于Lamb波传播路径分析的多频率数据融合缺陷检测方法,对复合材料板中缺陷区域进行成像。采用压电传感器进行Chirp信号激励,由Chirp激励响应计算出具有不同中心频率的Tone burst信号,为成像算法提供多频率缺陷信息。对各信号中首次抵达波的包络峰值进行分析,确定缺陷所在位置同激励接收路径间的关系。选择同缺陷所在路径具有相近Lamb波传播速度的路径作为关注路径,结合椭圆成像算法和该路径中的缺陷散射信号信息计算出缺陷所在的椭圆轨迹。引入椭圆轨迹计算误差容限,对计算得到的不同频率下的椭圆轨迹进行筛选,将筛选后的椭圆轨迹进行融合实现缺陷区域成像。通过对复合材料板中缺陷区域的试验检测,验证了所提算法的可行性。     

不同幅值激励的复合材料板时间反转损伤识别方法

复合材料结构受到冲击时会产生基体开裂、层脱等损伤,通常情况下损伤界面保持闭合接触。小幅值激励下应力波产生的应变极小,损伤界面仍处于闭合的线性状态,时间反转重构信号不能表明损伤的存在与否。针对该问题,采用不同幅值激励的时间反转方法进行损伤检测与识别,利用时间反转重构信号与激励信号的相关系数构造了损伤指数,开展了基于压电作动/传感阵列的复合材料板损伤识别与定位的实验研究。实验结果表明:小幅值激励下作动-传感的完整路径和损伤路径上的时间反转重构信号与原始激励信号相似程度均很高,不能表征结构中的损伤;而增大激励幅值至某一阈值后,损伤路径上的损伤指数明显增大,而完整路径上的损伤指数变化不明显;利用该方法准确地识别与定位了板中损伤。