飞行器板结构中Lamb波解析建模研究

通过理论分析,计算得到特定条件下的板结构中Lamb波的解析解和理论波形,从而为机遇Lamb波的飞行器结构健康监测工作提供坚实的基础。基于对金属板结构的空间-波数域弹性力学分析和压电材料传感器的力电耦合场分析,得到了金属板中Lamb波传播的一般解析解。基于此解析解,可以得到Lamb波传播的理论波形建模结果。为了验证这一解析建模结果,进行了金属板结构中的Lamb波传播实验,通过对比实验结果与建模结果,证明了这一解析建模结果的准确性。

Lamb波双面激励方法及其在近邻损伤监测中的应用

针对Lamb波的多模式和频散特性,从理论和实验两方面研究了Lamb波双面激励方法,并针对近邻损伤进行了监测研究。研究结果表明:与传统的单面激励方法相比,该激励方法能够抑制Lamb波的多模式特性,在频率较低的情况下可实现基本对称或反对称模式的产生,提高了Lamb波的激励效果,便于监测信号的分析。另外,相对于通过调节激励频率产生特定Lamb波模式的方法,该激励方法具有一定的频率可调性,能有效改善Lamb波波包的空间分辨率,增强Lamb波对多个近邻损伤的监测能力。

基于波包能量的裂纹扩展监测实验研究

采用主动Lamb波监测技术对铝板结构中的疲劳裂纹扩展进行了实验研究.首先通过布置在结构中的压电片激发并采集Lamb波信号.然后分别把Lamb波信号的原始信号、信号包络及其特定尺度上的小波系数模值定义为波包,并建立了不同定义下波包能量的计算公式.将结构在裂纹扩展过程中传感器所接收的Lamb波S0模式波包能量与健康状态下所得到的波包能量进行对比,得到每个裂纹扩展阶段的能量差,将其归一化后得到相应的裂纹损伤特征参数.最后通过实验分析得到该损伤特征参数与裂纹扩展程度之间的对应关系,从而揭示出Lamb波随裂纹扩展的变化规律.实验结果表明,利用上述方法所得到的裂纹损伤特征参数随裂纹扩展表现出特定的变化规律.该规律对于裂纹监测的进一步研究具有促进作用.

基于Shannon复数小波的复合材料结构时间反转聚焦多损伤成像方法

研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb波的结构损伤成像方法,有助于克服Lamb波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理,在此基础上提出了一种基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中,确定Lamb波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon复数小波变换计算Lamb波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明,该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm×30 cm的监测区域,定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。

基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的复合材料结构多源冲击成像定位方法

在飞机结构上,复合材料结构大量应用。该种材料结构容易受到外界冲击而产生内部脱层等损伤,所以对复合材料结构的冲击事件进行在线结构健康监测是十分必要的。为了克服信号在复合材料结构中传播存在的频散、多种模式及模式转换的现象给冲击定位带来的困难,研究了一种基于Shannon复数小波和时间反转聚焦的复合材料结构多源冲击成像定位方法。分析了信号的时间反转聚焦原理,在此基础上,提出了冲击响应信号时反合成成像方法。针对宽带的冲击响应信号,利用Shannon复数小波变换提取冲击响应信号中特定尺度下的信号成分参与到成像过程中。整套方法在碳纤维复合材料层合板上得到了验证。验证结果表明该方法能够正确地对冲击监测区域中的多个冲击源进行成像和定位,冲击定位误差不超过2cm。