基于多重信号分类算法的复合材料冲击定位

为了提高复合材料结构冲击定位的精度和实时性, 将阵列信号处理技术引入到结构健康监测领域, 提出了利用小波变换和多重信号分类算法实现复合材料结构冲击定位的新方法: 通过小波变换提取冲击响应信号某一窄带频率成分, 运用多重信号分类(MUSIC) 算法实现冲击源到达方向的估计; 根据Lamb 波传播特性, 用小波变换求出某一中心频率下的对称模式和反对称模式的Lamb 波到达同一传感器的时间差, 结合对称模式和反对称模式Lamb 的速度差就可以估计出冲击源到达传感器的距离, 实现冲击定位。对玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和碳纤维/双马树脂基复合材料层合板2 种试件的实验均表明该方法能快速、精确地识别出冲击源位置。      

基于MUSIC算法的复合材料近场冲击源定位

为了提高算法在近场冲击源的定位精度,提出了基于多重信号分类(MUSIC)算法的复合材料近场冲击源定位方法.首先通过Fresnel近似将一维远场模型扩展到二维近场模型;接着应用Gabor小波变换从冲击的宽带信号中提取某一中心频率的窄带波;最后应用二维近场MUSIC算法,扫描整个监测区域,可以同时得到冲击源的距离和方位角.复合材料层合板的冲击实验结果表明该方法能够精确有效地对冲击源进行定位,距离的定位误差不超过0.94 cm,方位角误差不超过1°.     

基于MUSIC算法的复合材料近场冲击源定位

为了提高算法在近场冲击源的定位精度, 提出了基于多重信号分类 (MUSIC)算法的复合材料近场冲击源定位方法。首先通过Fresnel近似将一维远场模型扩展到二维近场模型; 接着应用Gabor小波变换从冲击的宽带信号中提取某一中心频率的窄带波; 最后应用二维近场MUSIC算法, 扫描整个监测区域, 可以同时得到冲击源的距离和方位角。复合材料层合板的冲击实验结果表明该方法能够精确有效地对冲击源进行定位, 距离的定位误差不超过0.94 cm, 方位角误差不超过1°。     

基于阵列传感器的复合材料结构损伤MUSIC成像方法

提出了一种基于传感器线阵的多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)损伤成像方法用于航空复合材料的损伤监测。该方法采用MUSIC阵列信号处理方法,通过对传感器阵列信号进行协方差特征值分解,在结构上进行方向扫描并构建监测区域的空间谱,从而实现对结构损伤的成像,具有一维传感器阵列易于布置的优点。所提出的方法在变厚度航空复合材料油箱结构上进行了验证,结果表明,该方法能够准确实现航空复合材料结构上的损伤成像,定位误差小于2cm。     

基于鸡群算法的近场声源三维定位MUSIC算法

针对三维多重信号分类（Multiple Signal Classification,MUSIC）算法估计声源位置时计算速度慢,计算量大等缺点,提出了一种基于鸡群优化（Chicken Swarm Optimization,CSO）算法的近场声源三维定位算法。首先建立近场声源信号接收的数学模型,并选取三维MUSIC算法中的空间谱函数为文章算法中的适应度函数。通过不断迭代和局部搜索,以适应度值为指标对鸡群个体进行排序,最终得到最优鸡群个体的位置,即近场待测声源的坐标。仿真和实验结果表明：文中算法具有定位精度高、计算效率高、实时性好等优点,文中算法的平均用时仿真时为三维MUSIC算法平均用时的1.9%,实验时为三维MUSIC算法用时的3.2%。     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

基于偏最小二乘法分形计盒维数的冲击定位方法

针对航空板结构健康监测需求,提出一种基于分形计盒维数的板结构分布式光纤冲击载荷定位方法。使用分形维数能够定量描述与刻画非线性系统行为的复杂性以及度量信号的不规则度。研究发现,光纤布拉格光栅(FBG)传感器冲击响应信号频谱的分形计盒维数与冲击距离以及冲击位置与光纤轴向角度存在关联,以此为特征参数可以实现对冲击位置定位。由于冲击响应信号频谱的分形计盒维数与冲击位置之间存在重复性、非线性等问题,采用偏最小二乘回归法,对多个传感器数据进行数据融合,提高了冲击点位置预测提高定位精度。该方法与时差冲击定位方法相比,无需高速FBG解调设备。     

基于二维波束聚焦算法的低速冲击监测研究

冲击损伤监测是结构健康监测的主要研究内容之一,为提高冲击定位的精度以及传感器的利用效率,提出了一种基于十字阵列型传感器布置方法的二维波束聚焦冲击定位算法,在高精度的前提下有效减少了传统定位方法所需布置的传感器数量.通过十字阵列型的压电传感器布置方法,可以将远场的定位精度大大提高,对于内场的盲区采用四点圆弧定位算法进行冲...     

水平组合阵列的时反被动定位特性研究

在浅海波导中,大孔径的水平时反阵可以对声源实现有效的被动定位。对于单个水平阵而言,当声源位于水平阵端射方向时,水平阵的被动时反定位性能最好。当声源偏离端射方向时,水平时反阵的定位性能会迅速下降,直至对目标的被动定位失效。本文研究了单个水平时反阵的可视区域,并提出了一种组合式的水平时反阵,有效地克服了单水平阵被动时反定位性能随声源入射方向改变而下降的不足。     

ABS/HGB复合材料断口分形维及其与冲击强度的关系

为了改善填料与基体树脂的相容性,应用硅烷偶联剂对中空玻璃微珠(HGB)进行表面处理,并制备了HGB填充聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)复合材料,HGB的体积分数为0～15%.在室温条件下,测量了ABS/HGB复合材料的冲击强度.基于冲击断口的SEM图像,采用像素点覆盖法和投影覆盖法测算了ABS/HGB复合材料的冲击断口表面分形维(Ds),并考察了分形维与复合材料冲击断裂强度(σI)的关系.结果表明,ABS/HGB复合材料的冲击强度与断口表面分形维密切相关:σI随着Ds的增加而提高,两者之间呈指数函数关系.应用像素点覆盖法测算的Ds值为1.62～1.74,而应用投影覆盖法测算的Ds值则为2.51～2.58.     

复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击位置识别研究

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯结构的低速冲击实验,采用一种基于应力波和免疫遗传算法的冲击载荷定位方法对蜂窝夹芯结构上的低速冲击载荷进行分析和定位。首先,通过一组事先确定冲击位置的低速冲击载荷产生的冲击应力波实验数据,使用小波变换方法对其在时频域进行分析,获得多个频率上冲击应力波在蜂窝夹芯结构中的传播速度;然后在此基础上,考虑蜂窝夹芯结构中应力波的各向异性特性,采用免疫遗传算法对未知的低速冲击载荷进行位置识别。实验研究结果表明了该方法的可行性和有效性     

FBG sensor array-based-low speed impact localization system on composite plate

A fiber Bragg grating (FBG) sensors-based impact localization system on composite structure and a novel localization algorithm independent of wave velocity were proposed. Six FBG sensors constitute two isosceles right triangle FBG arrays. Impact signals were detected by a high-speed FBG interrogation system. Morlet wavelet transform was employed to extract time differences of impact signals. The straight lines equations, which are through impact source and FBG sensors of right-angled vertices of FBG arrays, can be obtained by the time differences. The coordinate of impact source is the intersection of straight lines. Testing experiments were carried out on composite plate within 400 mm × 400 mm monitor area. The experimental results showed that the maximum and average errors were 20.92 and 8.67 mm, respectively. This article provides a simple and stable impact source localization system independent of wave velocity.     

复合材料层合板低速冲击损伤的有限元模拟

建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤的3D有限元模型。采用应变描述的失效判据来判断铺层层内的各类损伤, 如纤维断裂、 纤维挤压、 基体开裂、 基体挤裂, 并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减。使用界面元模拟层间区域, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来定义分层损伤的起始和演化规律, 提出了一种界面元损伤起始强度沿厚度方向的分布函数。通过对数值仿真结果和实验结果的比较, 验证了模型的合理性和准确性。      

Simulation of drop-weight impact and compression after impact tests on composite laminates

This paper presents finite element simulations of two standardized and sequential tests performed in polymer–matrix composite laminates reinforced by unidirectional fibers: the drop-weight impact test and the compression after impact test. These tests are performed on laboratory coupons, which are monolithic, flat, rectangular composite plates with conventional stacking sequences. The impact and the compression after impact tests are simulated using constitutive material models formulated in the context of continuum damage mechanics. The material models account for both ply failure mechanisms and delamination. Comparisons with experimental data are performed in order to assess the accuracy of the predictions.     

Low energy impact damage monitoring of composites using dynamic strain signals from FBG sensors - Part I: Impact detection and localization

Fiber reinforced composite materials risk to suffer from subsurface, barely visible, damage induced by transverse relatively low energy impacts. This two-paper series presents a method for the localization of an impact and identification of an eventual damage using dynamic strain signals from fiber Bragg grating (FBG) sensors. In this paper, the localization method allowing to predict the impact position based on interpolation of a reference data set is developed and validated. The data utilized in the method are the arrival times of the asymmetric zero order Lamb waves at the different sensors. A high rate interrogation method based on intensity modulation of the Bragg wavelength shift is used to acquire the FBG signals. The localization method allows to predict the impact position with a good accuracy and therefore the inspection of the laminate can be limited to this region.     

嵌入式共固化复合材料阻尼结构低速冲击性能数值模拟

嵌入式共固化复合材料阻尼结构是一种新型阻尼处理结构,在航空、航天、高速列车等高科技领域有广阔的应用前景。采用LS-DYNA显式动力学软件建立了该结构的有限元分析模型,对这种新型阻尼结构的低速冲击性能进行数值模拟,并将数值模拟结果与实验数据进行比较以说明模拟方法的有效性。结果表明这种新型复合材料阻尼结构的抗冲击性能大大优于相同材质的复合材料结构。     

基于低能量冲击损伤阻抗的复合材料薄壁结构铺层顺序设计

建立了有效的复合材料层合板结构冲击损伤分析方法,层合板面内损伤采用改进的Chang/Chang 失效准则做判据,得到面内各类损伤形式。层间损伤采用与Mixed-Mode粘接元等效的TIEBREAK接触模拟。利用此分析方法,从复合材料薄壁结构设计需要出发,研究了在低能量冲击下,铺层的层间角度、铺层方向、铺层重叠对层合板结构冲击损伤阻抗的影响规律,并对它们的综合影响进行了总体分析,得到了能提高层合板结构损伤阻抗的铺层顺序设计指导。最后用该设计指导对某种铺层结构进行了重新设计和有限元模拟,验证了该设计指导的可行性和有效性。     

Numerical investigation on steel fibre reinforced cementitious composite panels subjected to high velocity impact loading

Steel fibre reinforced cementitious composite (SFRCC) panels are numerically investigated for their performances under high velocity impact of short projectiles. Numerical responses are obtained using advanced constitutive material model of Riedel–Hiermaier–Thoma (RHT) for cementitious materials and adopting appropriate modelling techniques. Effects of steel fibre volume and the thickness of panels on the impact performance are mainly highlighted in this paper. Various characteristics phenomenon during impact on cementitious composite panels namely, spalling, cracking, scabbing and perforation, are captured which is a difficult task. Scabbing is likely to occur when tensile stresses at the back face of the panel exceed dynamic tensile strength of the material. Various critical aspects in numerical modelling like boundary conditions, material input parameters, and handling severe distortion of the Lagrangian based finite elements are appropriately explained. Design chart is also developed to determine optimum fibre volume and thickness for an impact energy level up to 2.2 kJ. The numerically predicted impact responses are found to corroborate well with experimental results.