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.     

基于谱元法的复合材料裂纹梁Lamb波传播特性研究

基于谱元法提出了一种弹簧元来模拟复合材料梁由于横向裂纹导致的轴弯耦合效应,分析复合材料裂纹梁中Lamb波的传播特性。由断裂力学的相关知识求得弹簧元的刚度,建立复合材料裂纹梁的损伤谱元模型。通过模拟复合材料裂纹梁内Lamb波传播,并和传统的有限元结果进行比较,验证了所提出模型的可行性和有效性。推导了频域内Lamb波各模态的能量计算公式,裂纹处的能量守恒证明了所提出模型的正确性,同时计算表明复合材料梁中裂纹处反射与透射的Lamb波各模态能量随着裂纹深度的变化规律具有单调性,结论可以为定量识别复合材料梁裂纹提供实用依据。     

Lamb波在复合材料板中传播的谱有限元建模和仿真

基于谱有限元对Lamb波在复合材料层合板中的传播进行了模拟。结合Gabor小波分析对谱有限元及传统有限元模拟结果与理论结果进行了对比, 并对相控阵法结构探伤的扫描过程进行了模拟和分析, 给出了Lamb波的传播和扫描图像。结果表明, 在得到更精确模拟结果的同时, 谱有限元较传统有限元法能大大缩短计算时间, 证实了该方法在模拟Lamb波在复合材料板中的传播方面的优越性。同时, 谱有限元法能很好地模拟相控阵法探伤的扫描过程, 模拟结果与实际结果吻合, 证实了本文建模方法的可行性和精确性。      

基于三维弹性理论的碳纤维板中Lamb波建模

基于主动Lamb波的结构健康监测是目前复合材料结构损伤监测技术研究的热点之一,了解Lamb波的传播特性对进行可靠的损伤监测非常重要.本文结合经典三维弹性理论与Lamb波的运动位移方程,对碳纤维复合材料板中传播的Lamb波传播特性进行了建模研究,在此基础上推导了碳纤维板的相速度频散曲线,并讨论了Lamb波传播方向与坐标轴之间的夹角及碳纤维铺层方向对频散曲线的影响,建模结果证明了这种建模方法的正确性.     

一种基于压电晶片阵列的板结构损伤识别方法

提出一种通过单个压电晶片对板结构进行激励,使用十字形压电晶片阵列接收响应信号,然后基于相控阵原理对信号进行处理,从而对板结构损伤进行识别的方法。首先用谱元法分析了在单点激励下铝板结构有损伤和无损伤时Lamb波的传播情况,得到压电晶片阵列中各阵元所在位置的响应信号。根据压电晶片阵列布置形式及各阵元之间的相互位置,对各阵元接收到的时域信号进行处理,从而对结构的损伤进行识别。通过对板结构中含有一个和两个损伤的情况进行了研究,验证了该方法的有效性。     

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。     

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。     

界面剥离钢-混凝土组合结构应力波传播谱元法模拟研究

建立钢-混凝土组合结构截面二维谱元法模型,针对钢-混凝土界面完好以及存在界面剥离时模型在单点激励下弹性应力波场进行模拟分析,探究弹性应力波的传播规律。采用去除混凝土单元的方法反映组合结构中钢板与混凝土之间的界面剥离。通过对比分析表明界面剥离的存在对弹性应力波场以及模型上不同位置的位移响应产生影响。通过改变界面剥离程度,得到测点位移的变化规律。通过模拟,谱元法可以有效模拟钢-混凝土组合结构中弹性波的传播规律,为研究基于应力波测量的钢-混凝土组合结构界面缺陷检测机理提供帮助。     

基于弯折频率变换的Lamb波高分辨率损伤成像

Lamb波在结构健康监测中受到广泛关注,但其在传播过程中存在着多模和频散特性,不利于损伤定位和高分辨率成像。弯折频率变换（Warped Frequency Transform, WFT）通过构建合理的弯折映射可实现对频率轴的弯折。基于Lamb波群速度频散曲线设计弯折频率变换,则可用于Lamb波信号的处理。本文从直接补偿角度出发,利用WFT对传感信号进行频散抑制。提出了基于WFT的高分辨率损伤成像方法,利用有限元软件ABAQUS进行了带损伤铝板中Lamb波传播的仿真。仿真结果表明WFT能有效压缩频散的波包,通过本文所提成像方法可实现高分辨率损伤成像。     

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。     

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。     

Single Mode Tuning Effects on Lamb Wave Time Reversal with Piezoelectric Wafer Active Sensors for Structural Health Monitoring

Lamb wave time reversal method is a new and tempting baseline-free damage detection technique for structural health monitoring. With this method, certain types of damage can be detected without baseline data. However, the application of this method using piezoelectric wafer active sensors (PWAS) is complicated by the existence of at least two Lamb wave modes at any given frequency, and by the dispersion nature of the Lamb wave modes existing in thin-wall structures. The theory of PWAS-related Lamb wave time reversal has not yet been fully studied. This paper addresses this problem by developing a theoretical model for the analysis of PWAS-related Lamb wave time reversal based on the exact solutions of the Rayleigh-Lamb wave equation. The theoretical model is first used to predict the existence of single-mode Lamb waves. Then the time reversal behavior of single-mode and two-mode Lamb waves is studied numerically. The advantages of single-mode tuning in the application of time reversal damage detection are highlighted. The validity of the proposed theoretical model is verified through experimental studies. In addition, a similarity metric for judging time invariance of Lamb wave time reversal is presented. It is shown that, under certain condition, the use of PWAS-tuned single-mode Lamb waves can greatly improve the effectiveness of the time-reversal damage detection procedure.     

兰姆波检测参数曲线的应用研究

为了推广应用兰姆波进行无损检测,对兰姆波检测参数曲线进行了研究。通过对兰姆波频率特征方程的对称模式和反对称模式两种情况进行算法分析,用VC++软件加以编程实现,设计了专门用于绘制兰姆波参数曲线的软件,同时依据激励角频散曲线设计了兰姆波换能器的斜楔结构参数,并制作了兰姆波换能器,进而解决了兰姆波检测参数曲线的绘制和应用问题,所绘制的参数曲线适用于不同材质、不同型号的金属薄板兰姆波检测。     

识别薄板中兰姆波和体波的阶梯板方法

斜探头在某些频率下激励出的兰姆波,其群速度与体波的传播速度相近,所以通过判断传播速度不易区分出兰姆波和体波。通过数值模拟和实验,分别研究了激励频率为2 MHz的纵波和S0模态兰姆波在阶梯板上的反射特性,发现:在阶梯板上入射S0模态兰姆波时,有反射回波;而入射纵波时,无反射回波。基于这种反射特性的差别,提出了一种利用阶梯板区别薄板中兰姆波和体波的方法,该方法可用于确认探头的激励特性。     

基于弹性导波的厚钢梁结构的损伤检测

弹性导波由于其对损伤的敏感性和长距离传播特性,成为近年来结构健康监测领域的一个研究热点.探讨了利用 PZT 换能器在较厚结构中进行基于弹性导波方法的损伤识别的可能性.首先参考 Lamb 波的频散曲线,设置了导波的激励信号参数如激励频率、激励波形周期数等;基于优化的激励波形和 PZT 换能器布局,在结构健康监测实验平台上对试件进行了检测.通过对实验结果的处理分析,计算出导波的群速度,并根据群速度和飞行时间(ToF)得到了损伤的位置信息.结果表明利用导波方法能够针对较厚结构进行损伤定位并能识别出不同大小的损伤.     

大电机定子绝缘损伤成像检测方法研究

为了准确评估定子绝缘结构健康状况,基于导波理论进行定子绝缘结构损伤成像检测研究。首先根据定子绝缘材料特性参数,建立定子线棒结构有限元模型。对定子绝缘损伤检测中导波的激励、传播和接收进行数值模拟,并建立横向裂纹、纵向裂纹、气隙和分层四种典型定子绝缘损伤模型。利用希尔伯特变换提取损伤散射信号到达时间作为损伤特征,采用概率成像方法对定子绝缘中的损伤状况进行成像检测。数值仿真结果表明:损伤散射导波飞行时间是表征损伤位置的有效特征,A0模态损伤散射波对定子绝缘损伤更敏感,概率成像能够直观地检测出定子绝缘中的损伤并能进行准确定位,为进一步应用导波进行大电机定子绝缘状态评估提供有效的参考信息。     

复合材料板脱层损伤的时间反转成像监测

基于时间反转理论,对主动Lamb波复合材料结构脱层损伤成像监测技术进行了研究。分析了时间反转方法的理论基础以及对波源的信号聚焦过程。根据信号传播自身的特性,研究采用时间反转聚焦方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比,分析给出了具体的损伤信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在玻璃纤维复合材料板上的真实损伤实验结果表明,该方法能有效提高损伤散射信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、大致范围等特征。     

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。