无参考Lamb波相控阵结构损伤监测成像方法

超声相控阵结构健康监测中通过计算差信号获取损伤散射信号的方法易受环境和结构变化的影响,针对这一问题,提出无参考信号的相控阵结构健康监测成像定位方法。采用窗函数截取散射信号,剔除直达波和边界反射信号。基于相控阵方法,对结构损伤状态时的传感器响应信号进行处理,无需结构健康状态时传感信号作为参考。该方法在碳纤维复合材料板结构上的实验研究证明,采用无参考信号的超声相控阵方法能够精确实时地监测并清晰表征结构损伤;同时,该方法可以大大缩短监测时间,且不受环境条件变化的影响,为该方法的工程化应用奠定基础。     

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。     

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...     

Lamb波在铝板缝类缺陷检测中的应用

为了研究Lamb波在缺陷板检测中的应用,建立非线性Lamb波检测系统.该系统用于检测具有不同深度裂纹的铝合金板和具有不同拉伸载荷循环的铝合金板.通过快速傅里叶变换(FFT)对获取的时域波形进行分析,得到两种缺陷对Lamb波非线性效应的影响.测试结果表明,对于裂纹缺陷,缺陷深度增加将增大试件超声非线性效应.当裂纹深度超过...     

基于Lamb波的薄壁槽状结构损伤检测研究

研究复杂工程结构的结构健康监测技术具有现实意义。使用基于Lamb波的仿真和实验方法,对“U”形截面的铝合金构件中的损伤检测问题进行了研究。建立了构件的三维有限元模型并实现了Lamb波传播过程的动态仿真;实验中使用锆钛酸铅压电晶片（PZT wafer）来激发和接收在构件中传播的Lamb波。借助于连续小波变换（CWT）和希尔伯特变换（HT）等方法对仿真和实验中采集到的Lamb波信号进行处理,从中提取了与损伤有关的时域特征,建立了损伤位置和损伤反射波包飞行时间（ToF）之间的定量关系。     

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。     

CSM在基于Lamb波的结构损伤检测中的应用

在基于Lamb波的结构损伤检测中往往不可避免地遇到结构中多个损伤引起的反射波信号相干问题而对检测精度造成影响。考虑到阵列信号处理中的空间谱估计可以对信号源进行辨别和定位,尤其是在信号的波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计上的优越性,将其应用于基于Lamb波的结构损伤检测中以获得准确的结构损伤信息。于是,该文采用空间谱估计中相干信号子空间方法(Coherent Signal Subspace Method, CSM)解决了相干信号问题。以一个损伤结构的仿真分析为例,验证了CSM方法在基于Lamb波的结构损伤检测中处理相干信号的可行性。结果表明,无论是结构损伤和边界反射引起的信号相干或两个结构损伤引起的信号相干,依然可以通过该方法获得准确的结构损伤信息。     

板状结构中基于Lamb波单模态的缺陷成像试验研究

Lamb波技术非常适于板类结构的各种缺陷检测。为了得到模态较为单一的Lamb波,使得接收信号更具有解释性,缺陷更容易识别,该文中在板上下表面的相同位置分别布置压电传感器阵列,采用同一位置上下表面的双压电片同相或反相激励,激励出单一S₀或A₀模态。运用这种单模态的Lamb波激励方式对板中缺陷进行检测,结合椭圆成像算法与数据融合方法对压电传感器阵列接收到的多组信号进行缺陷成像。该方法有效的实现了板中缺陷的二维成像定位,检测出人工缺陷,并提高了缺陷的可识别能力和定位精度。     

基于压电阻抗技术的结构损伤识别基本理论及其应用

结构材料早期的微小损伤若未及时发现,会不断改变结构的强度与刚度,引发结构的累计损伤,从而导致结构的突发性失效,因此,及时准确地识别结构材料早期微弱和潜在的损伤具有重要的理论与应用价值。观察结构内部真实裂纹的产生、传播以及确定内部任意位置的微观应力场一直是土木工程领域一个难题。论文利用压电陶瓷电机耦合阻抗(PZT)对结构微小损伤敏感、对外界环境影响免疫力强等特点,研究基于PZT监测信号的混凝土/钢结构微损伤的识别技术,为混凝土/钢结构健康评估提供准确与可靠的依据。介绍了作者所在课题组在利用PZT阻抗方法进行混凝土/钢结构微损伤识别方面的主要研究成果,并指出了该领域存在的困难和需要解决的主要问题。     

兰姆波在裂纹处的模态转换及散射特性研究

该文采用散射矩阵表征兰姆波在缺陷处的模态转换和散射特性, 研究了S₀模态兰姆波与亚波长级槽形裂纹的交互作用. 由板中导波模态位移场的特性, 提出了只存在零阶模态时的模态分离方法. 求解了S₀模态在不同尺寸裂纹处的多模态散射矩阵. 结果表明, S₀模态入射到裂纹时, 散射波动场周向分布不均, 与入射角度相关;散射特征的强弱由裂纹长度决定, 长度越短, 散射特征越明显;各散射模态的能量分配由裂纹的深度决定, 随着裂纹深度增加, 散射的S₀和SH₀模态能量增加, 而A₀模态先增加后急剧减小.     

基于加速度频率响应函数的结构损伤测量方法研究

提出了一种利用加速度频响函数对结构的损伤进行定位和定量分析的方法，该方法分别利用试验测量和模型计算所得的加速度频响函数对动力学模型的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼系数进行修正，使修正后模型的加速度频响函数与试验测量所得的相一致，利用其修正的差值即可对结构的损伤进行定位和定量分析。该法具有明确的物理意义，避免了模态分析，便于形成实时监测系统。数值算例检验了方法的有效性和精度。     

基于能量的爆破地震波衰减公式

探讨了爆破地震波能量的计算方法,建立了爆破地震波能量的衰减公式,分别采用η和β表示炸药能量转换为地震波能量的百分比和传播介质的衰减系数,通过能量转换百分比的对比,能够分析各个爆源因素对地震波能量的影响。并结合工程实例进行了验证分析。结果表明:采用爆破地震波能量的衰减公式进行拟合分析的线性相关性比萨道夫斯基公式高,说明了采用爆破地震波能量的衰减公式对地震波强度进行预报是可行的;通过遵义市新浦新区洪水台场平工程北、南两区爆破地震波能量衰减公式中η值的对比分析表明总药量和炮孔数不仅对爆破后地震波的初始总能量有影响,还对地震波初始总能量的转换率有影响。     

基于应变能耗散率的结构损伤识别方法研究

将损伤变量的概念从材料领域拓展到结构中,并用其作为损伤因子来表征结构的损伤程度。通过表示结构损伤时每一单元的模态应变能耗散率引起的单元模态应变能的变化,导出结构每一单元的损伤因子的表达式。考虑到所测的结构模态是不完备的,应用完备模态空间理论将未测的结构高阶模态用等效高阶模态来代替从而消除模态截断误差的影响。最后,通过对一悬臂六跨平面桁架结构的数值算例分析的结果说明,该方法简便、有效,可同时定位结构的损伤和识别损伤的程度。     

基于无人机与计算机视觉的中国古建筑木结构裂缝监测系统设计

中国古建筑木结构中裂缝繁多,裂缝成因与发展规律复杂,易引起木结构构件脆断,从而严重威胁中国古建筑木结构健康情况.该文基于无人机与计算机视觉技术设计了一套适用于中国古建筑木结构裂缝的监测系统,该监测系统包含无人机系统、相机系统和图像处理系统.在无人机系统中,该文设计了一款适合于中国古建筑木结构裂缝监测的无人机,并分析其悬...     

全局矩阵法及其在层状各向异性复合板中Lamb波传播特性研究中的应用

纤维增强复合材料中兰姆波的传播因其在无损评价中的应用而成为广泛研究的课题。一般采用传递矩阵法对各向异性多层媒质进行建模。虽然这种方法较为方便,但在大频厚积时会出现数值不稳定。本文作者对Nafeh的传递矩阵方法进行改进,所得到的全局矩阵方法具有较好的稳定性,其程序能有效地产生兰姆波的频散曲线。纤维增强复合材料中兰姆波的传播受多种因素的影响,层数的影响是其中之一。给出了不同层数复合板中兰姆波的相速度频散曲线以及两个基本模式a₀和s₀沿板厚方向的应力分布。这些数值示例为层状各向异性复合材料板的无损评价提供了理论依据。