强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法

Lamb波因其检测范围广、对缺陷敏感性高等特点在复合材料无损检测中广泛应用。但强噪声环境给有效信号的提取带来难度,影响损伤位置判定精度。针对该问题,提出了一种在强噪声背景下基于计盒维数和Lamb波层析成像技术的损伤定位成像方法。首先通过仿真分析了Lamb波在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板损伤前后传播的特性。在选定的复合材料板上均匀布置圆形传感器阵列,以粘结质量块改变结构局部刚度的形式模拟真实损伤;其次每个传感器依次作为激励器产生Lamb波,其他传感器采集有无损伤下的响应信号,采用小波变换进行信号去噪。将去噪后的信号添加不同等级的白噪声实现噪声干扰;最后采用计盒维数计算有无损伤的信号差异确定损伤因子,并通过概率成像算法实现损伤的定位成像。实验结果表明,在强噪声环境中单损伤与多损伤成像定位最大和平均误差分别为11.18 mm和6.88 mm,该方法无需信号降噪技术,且避免了多损伤时复杂反射信号的提取过程,在强噪声下复合材料损伤定位识别方面具有较大的潜力。     

基于Lamb波和Hilbert变换的复合材料T型加筋损伤监测

为了监测整体成型复合材料结构的损伤,提出了一种基于Lamb波和Hilbert变换的能量损伤指数。首先,通过应用Hilbert变换提取Lamb波信号的波形包络;然后选取具有最大峰值的波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示;该方法不需要选择特定的Lamb波模式,克服了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难;最后在复合材料T型加筋的损伤演化试验中,对该能量损伤指数进行了应用验证研究。研究结果表明：该能量损伤指数可以用于复合材料T型加筋的损伤监测,当能量损伤指数（EDI）值达到0.62时,所研究的复合材料T型加筋确定有损伤产生。     

Lamb波结构损伤检测温度补偿方法仿真与实验研究

基于主动Lamb波的结构健康监测和损伤检测是目前研究的热点之一。由于环境温度的改变使得结构的材料性能发生变化,从而导致导波在结构中的传播也发生变化。因此对于需要利用完整结构的基准状态信号对比当前信号来判定结构损伤存在与否的Lamb波线性损伤检测方法来说,波动传播温度影响的补偿就显得尤为重要。本文基于压电激励Lamb波传播过程分析研究了信号扩展时域温度补偿方法,分别进行了不同温度下Lamb波传播与损伤检测的有限元数值仿真和实验,利用基准信号选择和基准信号扩展的温度补偿方法处理波动响应信号。仿真和实验结果表明了温度补偿方法的有效性,得到了基准信号集中最大温度间隔要求,能够有效识别环境温度变化下的结构损伤。     

基于传递阻抗能量的无基准Lamb波裂纹检测

该文提出了一种获取压电陶瓷(PZT)传感器间Lamb波传递阻抗的方法,以实现对板结构裂纹的无基准快速检测。该方法从两组并排的PZT元件间提取包含Lamb波转换模式的损伤特征信号,对特征信号进行分类并求出其传递阻抗,通过比较传递阻抗的能量差异来判断裂纹是否存在。首先通过有限元仿真研究了裂纹导致的Lamb波模式转换现象以及PZT极化特性对各模式之间相对相位的影响,分析了所提出的方法的可行性;进一步通过在铝板上的实验验证了该方法的有效性。研究表明该文所提出的方法无需选择最优的激励频率和采样时间即可实现对裂纹的快速检测,具有较强的鲁棒性和适用性。     

复合材料无损检测中Lamb波的优化

如何解决Lamb波检测机理的复杂性并将之运用于复合材料损伤检测是个重要课题.以玻璃纤维增强的复合材料层合板为研究对象,搭建试验平台,利用集成在复合材料层合板上的PZT压电陶瓷片作为驱动元件和传感元件,对接收的Lamb波信号进行分析与研究,从信号频率范围、信号中心频率、波振幅值、波形个数和信号激励形式等五个方面完成Lam...     

应用遗传算法和散射Lamb波的板结构损伤识别

提出了一种基于遗传算法和散射Lamb波的损伤识别方法,能同时识别板结构中损伤的位置和程度。该方法将结构损伤识别转换为优化问题,结合Lamb波的散射模型,通过最小化理论计算结果与实际量测信息之间的差别,遗传算法自适应地搜索出描述损伤位置和程度的参数。为了提高运算效率,采用微种群遗传算法来加速收敛性。数值仿真结果表明了所提出方法的有效性和可应用性。     

基于时间反转加权分布的复合材料Lamb波损伤成像

超声Lamb波是检测板状结构损伤的常用方法,然而碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber ReinforcedPlastics,CFRP）本身的各向异性会对Lamb波的损伤成像和定位造成很大的影响。且大多数检测方法均采用健康结构的检测信号作为参考信号,用差信号的方法来实现损伤成像,该过程容易受到待测结构和实验环境变化等外界因素的影响。针对该问题,采用时间反转和加权分布成像相结合的方法,将其应用在复合材料板状结构的Lamb波损伤检测和成像中。仿真结果表明,该方法能够有效地实现板中单源脱层损伤和多源脱层损伤的二维成像与定位,且具有较高的精度和准确性。     

基于最大相似性的Lamb波损伤信号分解及试验研究

损伤反射波的准确提取可以使得基于主动Lamb波技术的损伤检测更有效的进行,而边界等结构特征反射波与损伤反射波产生的混叠,是提取损伤反射波的一个重要障碍。针对混叠情况,目前已有的主动Lamb波损伤监测方法大多采用基于参考信号的方法获取损伤散射信号,容易受到结构和环境等外界因素的影响。而由于在传感器接收到的Lamb波信号中,直达波之后时间段内的信号并不是任意波形,而应该是由数个反射波组成的,因此只要得到与目标信号最相似的反射波叠加组合,就可以认为成功解读了该目标信号,即相当于得到了损伤反射波。因此,提出一种基于最大相似性的Lamb波损伤信号分解算法。在分析Lamb波传播特性的基础上模拟边界反射波和损伤反射波,然后基于最大相似性原则,通过遗传算法对二者的合成信号的各个参数进行优化,使合成信号与目标信号之间的相似度达到最大。最后,使用Time of Flight(To F)方法对损伤进行了定位。铝板上的试验结果表明,该方法能够准确地提取出与边界反射波混叠的损伤反射波,从而实现对边界附近损伤的检测。     

基于含金属芯压电纤维与Lamb波的结构损伤定位研究

摘要：含金属芯压电纤维（Metal-core Piezoelectric Ceramic Fiber,MPF）是一种新型压电功能器件。介绍了MPF的结构及其对圆形压电片激励Lamb波的传感响应模型。利用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟的原理,把MPF传感单一模式Lamb波在一维结构中进行了损伤定位研究。研究结果表明：MPF可以进行Lamb波的单一模式传感,采用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟效果较好,损伤定位精度较高。     

基于含金属芯压电纤维与Lamb波的一维结构损伤定位研究

含金属芯压电纤维(Metal-core Piezoelectric Ceramic Fiber,MPF)是一种新型压电功能器件.介绍了MPF的结构及其对圆形压电片激励Lamb波的传感响应模型.利用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟的原理,把MPF传感单一模式Lamb波在一维结构中进行了损伤定位研究.研究结果表明:MPF可以进行Lamb波的单一模式传感,采用Gabor小波变换计算损伤反射信号到达时间延迟效果较好,损伤定位精度较高.     

基于多维阵列和空间滤波器的损伤无波速成像定位方法

随着复合材料在航空结构中的广泛应用,基于压电传感器（PZTs）阵列和Lamb波的结构健康监测成像方法已经成为复合材料结构健康监测技术的研究热点,但是复合材料的各向异性特点导致依赖于信号传播速度的延迟-累加、相控阵等成像方法难以实现其损伤的准确监测。鉴于此,研究了一种与信号传播速度无关的空间滤波器损伤成像定位方法,该方法利用Lamb波在结构中传播时的空间-波数域特征,通过设置空间权重函数使压电传感器阵列形成波数带宽为[k_min,k_max]的空间-波数域滤波器对特定空间方位的Lamb波进行滤波,得到损伤的角度图像; 然后,利用多维线性压电传感器阵列各自针对损伤得到的角度图像进行融合,得到损伤的坐标图像,从而实现了在不依赖传播速度的情况下对损伤的成像定位。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。实验结果表明：基于多维线性压电传感器阵列和空间-波数域滤波算法的无波速成像定位方法可以对复合材料结构损伤进行不依赖信号传播速度的成像定位,定位误差在1 cm以内。     

一种改进的近邻多损伤“移相叠加”成像方法

近邻多损伤成像是Lamb波成像研究中的一个难点。在传统“移相叠加”方法基础上提出一种改进的近邻多损伤成像方法。为了避免或减轻相邻损伤散射信号间的混叠,该方法利用双面激励产生较高空间分辨率的单模式Lamb波监测信号。同时,根据Lamb波在传播中的能量衰减情况,引入衰减补偿因子来减小监测信号对不同位置监测灵敏度的差异。理论分析和实验均证明了上述两处改进对于提高近邻多损伤成像质量的有效性。     

稀疏重建的兰姆波结构损伤定位

研究了基于稀疏重建算法的兰姆(Lamb)波损伤成像方法。利用损伤的稀疏性,对测量信号在字典中寻求其稀疏表示,通过稀疏重建方法得到定位缺陷的图像。由兰姆波信号传播模型理论,计算检测区域所有可能出现缺陷位置对应传感器接收到的散射信号波形,以此组成过完备字典;并通过梯度投影算法从字典中搜寻匹配的原子,匹配原子在字典中的位置对应于缺陷在检测区域中的位置。仿真实验采用多模态兰姆波进行损伤定位,结果表明稀疏重建方法在低噪声情况下可以实现对单个、两个缺陷的定位,和延迟求和成像方法对比,稀疏成像具有更少的噪声干扰及伪像。     

基于谱元法的裂Lamb纹梁波传播特性研究

首次提出用一种无质量弹簧元来模拟含横向裂纹梁的轴弯耦合效应,并结合谱元法分析含裂纹梁内Lamb波的传播特性.由卡氏定理和断裂力学方法推导弹簧元的刚度,以此构建裂纹处的平衡条件和位移协调条件,建立损伤谱元模型.通过和传统的有限元模型进行比较,表明在显著提高计算效率的同时,所提出模型在分析结构固有特性和Lamb波传播特性上都具有较高的精度.在所提出模型的基础上又推导出基于谱元法的能量计算公式,通过裂纹处的能量守恒再次验证损伤模型的正确性和有效性,同时研究结果表明裂纹处转化生成的Lamb 波各模态能量随裂纹深度的变化具有单调性,该结论可以为结构健康监测中定量识别裂纹提供实用依据.     

基于子结构虚拟变形的损伤识别方法

针对大型土木结构损伤识别优化效率低的问题,提出了子结构虚拟变形方法。虚拟变形方法是一种结构快速重分析的方法,该方法利用单元的虚拟变形模拟结构的损伤,可以在不重新建立有限元模型的情况下,快速计算出结构参数改变后的结构响应。该文基于虚拟变形法的基本思想,对子结构的刚度矩阵进行分解和对损伤后结构运动方程进行整理,推导出利用子结构的虚拟变形刻画损伤的方法,扩展了虚拟变形方法的适用范围;并且给出了虚拟变形和结构响应的相关性计算公式,通过相关性分析提取主要的虚拟变形,减少参与计算的子结构虚拟变形的数目,提高计算效率;最后利用一个五十层框架的数值仿真验证方法的有效性。     

复合材料连接结构健康监测技术研究进展

连接结构是大型复合材料结构的关键环节,对保证复合材料结构的完整性具有重要作用。由于复合材料连接结构存在复杂的非线性耦合因素,使得复合材料连接结构的强度和破坏模式分析十分困难,因此,必须对复合材料连接结构的健康状态进行监测、诊断、评价和预测,通过在线监测获得的信息实时掌握结构的健康状况与对外界载荷的响应,并在此基础上对未来可能发生的缺陷和故障进行预报,以便能在合适时间段内采取措施,以保证复合材料结构的安全服役并取得最大的经济效益。以飞行器复合材料连接结构为背景,首先简要分析了复合材料胶接连接、机械连接和混合连接形式的损伤和失效模式,然后重点介绍了基于波传播法、阻抗法、智能涂层监测法、真空比较监测法、光纤传感监测法和混合集成监测法的复合材料连接结构健康监测(SHM)技术的研究进展,最后讨论了飞行器复合材料连接结构健康监测技术的发展趋势和面临的挑战。      

基于改进空间滤波器的复合材料结构损伤成像方法

为降低Lamb波在复合材料结构中传播时存在的频散现象和各方向传播特性的不一致性给损伤监测带来的困难, 提出一种利用Hilbert变换改进的空间滤波器对复合材料结构损伤进行成像的方法。分析了基于空间滤波器的信号合成成像原理, 在此基础上利用Hilbert变换构造传感器时域响应信号的解析信号参与到信号合成成像过程中。通过对仿真声源的成像实验, 验证了该方法的可行性, 通过对碳纤维复合材料板结构上激励源和损伤的成像实验, 验证了该方法的功能。研究表明该方法能够识别损伤相对于压电传感器阵列的角度位置和损伤散射信号的到达时刻。