结合时间逆转的兰姆波与加权分布成像算法对多损伤识别的研究

结合时间逆转的兰姆波与加权分布成像算法,来识别铝板中的多缺陷。通过分析重建波形与原始激励的调幅脉冲之间的波形扭曲来校对基于时间逆转的损伤指数(Damage index,DI)。利用加权分布函数,传感网络中各条传感路径所校对的DI值被映射到检测区域内的各个离散坐标上,构建缺陷出现在这些离散坐标上的概率图像。利用动态有限元法在无缺陷和有不同切缝缺陷(不同长度)的铝板中研究兰姆波的时间可逆性,并评估这个基于时间逆转的DI对损伤识别的有效性。在试验中利用所建立起来的损伤识别方法诊断一个带有双切缝缺陷的铝板。试验结果表明,这个方法不但不依赖基准信号,而且可以精确地识别和定位铝板中的多缺陷。     

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。     

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。     

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。     

声发射和小波包分析在损伤状态监测中的应用

为应用声发射技术对结构的损伤状态进行监测与识别,基于小波包分析提出了一种在线损伤监测方法。采用D-S证据理论对声发射信号的小波包能量谱进行多源信息融合得到改进的小波包能量谱,计算Mahalanobis距离构建结构损伤状态判别指标,采用t检验的概率方法考察不同损伤状态下判别指标的变化情况。旋转轴承结构的声发射信号分析结果表明,D-S证据理论能够对声发射信号的小波包能量谱识别样本抽取有效信息,结构损伤状态判别指标具有良好的结构损伤识别能力,能够准确地实现对结构不同损伤状态的识别。     

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。     

基于反褶积与编码激励的长输管道损伤检测

制约应力波导波技术应用于长输管道损伤检测的两个主要原因是信号处理技术和导波激励技术,针对应力波频散效应和外界噪声干扰使得管道损伤检测定位精度低的问题,采用了基于子波估计的反褶积技术处理管道导波测量数据。数值模拟和试验结果均表明,该方法可以有效地抑制导波频散,提高了管道损伤检测的定位精度。针对单一激励能量有限、检测信号的信噪比低等问题,采用了编码激励技术,设计了两种不同的编码激励信号,并将其应用到管道纵向导波传播模型中。数值模拟结果表明,编码激励技术能够有效地提高管道损伤检测的抗干扰能力和分辨率。     

基于谱元法的板结构中导波传播机理与损伤识别

建立板结构的三维谱元法模型和结构-压电晶片耦合模型,对铝合金板中Lamb波的传播机理和与损伤作用规律进行研究。以单点激励力模型研究了板中Lamb波的频散关系,从理论上对所建立的模型进行了验证;基于压电晶片模型研究了在施加电压激励条件下导波的传播规律;研究单一压电晶片、板中上下表面施加同相位或反相位激励电压的两个压电晶片三种情况下结构的响应;对板中传播Lamb波的幅值与传播距离的关系进行分析;采用减小结构单元刚度的方法模拟结构中的裂纹损伤,研究Lamb波与损伤的作用;结合试验分析,验证所仿真结果结论的正确性。相对二维谱元法模型,所建立的板结构三维谱元法模型能更真实地模拟结构中导波的激励与接收以及波的传播。     

基于激励点优化和信号能量的结构损伤识别

为了有效激发结构的局部振动模态,分析响应信息并进行损伤识别,构建了一种基于激励点优化和不同损伤状态下信号能量的结构损伤识别方法.首先建立结构动力学模型,计算模态振型;再以MAC矩阵非对角元素最小值作为适应度函数,采用改进粒子群算法(MPSO)优化激励点数量和位置,以MAC非对角元平均值和均方根(RMS)准则评价不同激励...     

Quantitative evaluation of orientation-specific damage using elastic waves and probability-based diagnostic imaging

Different from the damage with relatively smooth boundaries or edges such as a through-thickness hole or delamination which scatters elastic waves omnidirectionally, orientation-specific damage of sizable length in a particular dimension (e.g., a crack or a notch) often exerts strong directivity to elastic wave propagation. As a consequence the damage-scattered waves may not be captured efficiently by sensors at certain locations, posing a challenging issue to elastic-wave-based damage identification. In this study, the influence of damage orientation on Lamb wave propagation was quantitatively scrutinised. Based on the established correlation between damage parameters (location, orientation, shape and size) and extracted signal features, a probability-based diagnostic imaging approach was developed, in conjunction with use of an active sensor network in conformity to a pulse-echo configuration. Relying on enhancive signal features including both the temporal information and signal intensity, this imaging approach is capable of indicating the orientation of individual damage edges clearly and further shape/size of the damage. The effectiveness of the approach was demonstrated by predicting orientation-specific damage cases including a triangular through-thickness hole (through finite element simulation), a through-thickness crack and an L-shape crack (through experiment) in aluminium plates. With the assistance of a two-level synthetic image fusion scheme, all damage cases were visually and quantitatively highlighted in the probability images.     

非金属管道损伤的非线性超声导波延时检测定位方法

由于超声导波难以准确检测非金属管道的早期损伤,本文提出了一种非线性超声导波延时方法对非金属管道结构损伤进行测试和定位。基于非线性超声调制机理分析了非金属管道损伤状态,使用同侧非线性超声的混频信号激励方式并根据超声导波传播速度的差异产生激励信号延时,然后在管道损伤处实现混频信号的非线性调制。采用HHT(Hilbert-HuangTransformation)提取混频延时信号的瞬时特征量,并通过分析非线性分量延时分组进行损伤区域检测,实现了对非金属管道裂纹损伤的定位。PVC(Ployninylchloride)非金属管道实验显示,无损伤状态下延时信号分组的标准化基准值为0.518 8;单裂纹状态下延时信号分组标准值为0.593 7,损伤定位相对误差为3.277%;双裂纹损伤状态下的标准化瞬时平均幅值为0.580 1与0.607 3,损伤定位值绝对误差小于4mm。相对于利用小波包络分解的非线性延时定位检测法,实验得到的单裂纹损伤准确度提高了36.4%。结果表明该方法能够对非金属管道裂纹损伤准确定位,并能够检测早期多裂纹损伤。     

基于频散补偿与路径-波速映射的损伤成像

现有损伤成像算法应用于真实复杂的航空结构时,由于结构的各向异性、复杂边界反射以及导波自身频散特性的影响,成像效果往往较差,应用时误差较大,甚至不能成像。针对上述问题,提出了一种基于频散补偿与路径-波速映射的结构损伤成像方法,首先针对各向异性影响下的结构实现损伤散射波包的频散补偿,以优化导波幅值特征,其次基于路径-波速映射法解决各向异性所带来的导波时差获取误差大的问题。所提方法在含有加筋和开口的复合材料结构上进行了验证,结果显示损伤成像的准确率得到了明显优化。     

一种基于临界角法检焦系统的设计

临界角法检焦是利用光波在临界角附近的反射特性来检测聚焦状态,它具有分辨力高、损失光能小、结构简单、系统调试容易的特点,是亚微米级离焦检测的首选方法之一。根据菲涅尔公式,并通过合理假设,利用高斯光学公式可以得到离焦误差信号的计算公式。实验采用单光路临界角法,利用He-Ne激光器、临界角棱镜、四象限光电探测器、信号采样电路、数据采集卡等元器件组成了离焦检测系统,实现了离焦信号的提取;通过数字滤波、归一化处理等技术得到离焦误差信号（FES）,以此获得了FES的大小和变化趋势与离焦量的关系曲线,为临界角法离焦检测系统的工程实现提供了参考。     

Rapid localization of damage using a circular sensor array and Lamb wave based triangulation

A damage detection and imaging methodology based on symmetry of neighborhood sensor path and similarity of signal patterns with respect to radial paths in a circular array of sensors has been developed. It uses information regarding Lamb wave propagation along with a triangulation scheme to rapidly locate and quantify the severity of damage without using all of the sensor data. In a plate like structure, such a scheme can be effectively employed besides full field imaging of wave scattering pattern from the damage, if present in the plate. This new scheme is validated experimentally. Hole and corrosion type damages have been detected and quantified using the proposed scheme successfully. A wavelet based cumulative damage index has been studied which shows monotonic sensitivity against the severity of the damage, which is most desired in a Structural Health Monitoring system.     

考虑重力影响的索结构损伤行波识别法

因索中某几股断裂而导致索等效截面减小是索结构常见的损伤模式。文中分析此损伤模式下索受扰动后的行波响应，提出重力场中索结构损伤的行波识别法。该方法由索上一点的实测响应数据，根据入射波和反射波到达该点的时间确定损伤位置，根据入射波和反射波的信号能量比及能量的时域分布确定损伤程度和损伤段宽度。为适应现场有噪声测试数据的影响，应用多分辨率分析理论，以Daubechies小波分解行波响应信号，对信号去噪并作出白噪声情况下损伤识别方法的误差估计。仿真结果表明，该方法可采用噪声污染响应信号对重力场中索结构的损伤进行准确的估计，适合小损伤情况下索结构的损伤识别。     

空调冷凝器管道激光超声导波跨能量层级映射迁移检测方法

空调冷凝器是空调设备的关键部件,其弯管连接部位由于损伤类型多和几何形状复杂等原因造成传统接触式损伤检测手段难以应用,本文提出一种基于能量映射迁移网络的非接触式激光超声导波无损检测方法。首先,通过小波分解提取烧蚀信号和热弹信号的概貌波形,设计自编码能量映射函数将热弹信号特征空间映射到烧蚀信号特征空间,获得更接近烧蚀信号特征的映射热弹信号。其次,通过能量映射迁移网络对齐映射热弹信号和烧蚀信号特征空间,将网络模型中的域转换误差和样本标签误差之和用作特征空间对齐误差值。最后,对空调冷凝器泄漏、分层和裂纹等损伤进行检测实验验证所提新方法性能,结果表明其损伤识别精度为93.09%,比传统激光热弹激励检测方法提高了7.23%。     

A Stoneley wave method to detect interlaminar damage of metal layer composite pipe

The interlaminar defect is a major form of damage in metal layer composite pipes which are widely used in petroleum and chemical industry. In this paper, a Stoneley wave method is presented to detect interlaminar damage in laminated pipe structure. Stoneley wave possesses some good characteristics, such as high energy and large displacement at the interface and non-dispersive in the high-frequency, so the sensitivity of detecting interlaminar damage can be improved and the higher frequency can be used in damage detection compared with Lamb waves. Additionally, as the frequency increases, the wavelength of the Stoneley wave reduces. Thus, its ability to detect small defects at the interface is enhanced. Finite element model of metal layer composite pipe with interlaminar damage is used to simulate wave propagation of Lamb waves and Stoneley wave, respectively. The damage location is calculated by using the Stoneley wave signal obtained from finite element model, and then the results are compared with the actual damage locations. The simulation examples demonstrate that the Stoneley wave method can better identify the interlaminar damage in laminated pipe structure compared with Lamb waves.