基于信号响应分析模型的金属结构损伤导波检出概率

飞机结构损伤导波在线监测技术作为一种新颖的无损检测手段,为了真正实现该技术在结构运营维护过程中的视情维护,必须明确其结构损伤检出概率(probability of detection,POD),以指导结构检查维修方案的制定。提出了一种基于信号响应分析模型的结构损伤导波POD计算方法,该方法通过构建在线导波监测信号的损伤指数与裂纹长度间的对应关系,得到结构损伤POD的统计计算模型,并分析了拟合参数的不确定性对计算模型的影响,构建了不同置信度下的导波POD计算模型。通过开展金属开孔和搭接结构疲劳裂纹导波监测试验,验证了该方法的有效性。试验结果表明,损伤指数类型、对应关系拟合函数和传感器监测方案均对结构损伤导波POD具有影响,且在95%置信度90%POD下金属开孔和搭接结构的可检裂纹长度分别约为2.6 mm和9.5 mm。

基于超声导波的复合材料结构疲劳损伤监测实验研究

为快速评估复合材料结构的疲劳损伤状况,采用超声导波和时-频分析相结合的方法,对疲劳状态下的复合材料结构进行在线连续监测。对玻璃纤维增强复合材料试件进行拉伸疲劳试验,使用激光引伸计获取试件纵向刚度的变化,探究试件内部疲劳损伤的累积情况。利用小波变换对由压电传感元件激励和接收的超声导波信号在时频域进行分析,提取与疲劳损伤有关的信号特征;最后,通过多元偏值分析引入马氏平方距离,融合多个信号特征,确定复合材料试件中疲劳损伤的存在性以及表征其演变过程。实验结果表明所提出方法在复合材料结构疲劳损伤连续监测方面的有效性。

超声Lamb波监测铝合金结构疲劳裂纹扩展实验研究

对应用超声Lamb波在线监测金属结构裂纹在疲劳载荷作用下的扩展进行了实验研究。制备了含中心裂纹的铝合金平板结构试件,并在试件表面布设了压电晶片传感网络。疲劳实验中,在观测裂纹扩展的同时,采用压电晶片分别进行Lamb波信号的激励和接收,监测驱动器与传感器间的疲劳裂纹扩展行为。通过时域信号处理提取了Lamb波信号峰值点的幅值(AMP)与传播时间(ToF)特征,由柯西隶属度函数定义了改进的信号健康度指标及相应的损伤指标,并评估了健康度指标和损伤指标随裂纹扩展的变化趋势。最后,结合损伤概率成像方法,融合Lamb波激励-接收路径的所有损伤指标,近似表征了裂纹长度的变化,验证了该方法的可行性和有效性。

碳纳米管薄膜电加热固化复合材料胶接修补金属结构研究

近年来,复合材料胶接修补技术被广泛应用于金属损伤结构,但传统补片固化工艺有着成本高、能耗大及成型时间长等问题。针对该问题,本文提出将碳纳米管薄膜作为加热元件与复合材料预浸料补片进行集成,通过电加热固化达到修补损伤结构的目的。进行了试验研究,分别采用碳纳米管薄膜电加热和传统烘箱加热的方法固化复合材料补片修补含裂纹铝合金板,对比不同固化方法下所需能耗和成型时间,并进行力学性能测试,评估胶接修补的效果。结果表明:碳纳米管薄膜电加热固化技术是一种节能高效的方法,可以显著降低能耗和材料成型时间;同时碳纳米管薄膜电加热固化修补的试件承载力与烘箱固化修补的试件基本一致,可以达到预期的修补效果,为金属结构低能耗、低成本胶接修补技术提供了一种新的思路。

直升机铝合金结构冲击凹坑缺陷深度统计及对应的疲劳性能研究

直升机金属动部件的表面缺陷是其重要的疲劳破坏源。首先收集并统计分析了直升机铝合金关键动部件表面冲击凹坑缺陷的深度数据,结果发现其深度尺寸服从正态分布,并以90%的缺陷尺寸覆盖率为依据确定了冲击凹坑缺陷的标准尺寸。采用有限元方法结合连续损伤力学理论对一种航空常用铝合金材料(2A12)的冲击凹坑形成和疲劳起裂寿命进行了研究,并通过疲劳试验结果验证了方法的合理性。研究表明合理的冲击凹坑缺陷疲劳寿命分析必须考虑缺陷局部的残余应力和塑性应变的影响。

二维硼材料的理论和实验研究进展

硼与其近邻元素碳一样形成sp^2杂化,易形成复杂的多面体结构。硼烯是硼元素的二维同素异形体,研究者们对其结构和物化特性一直有着浓厚的研究兴趣。由于其制备技术难以突破,长期以来该领域的研究只停留在理论探索上。最近,在铜、银基底上生长出了单层硼烯薄膜,并对其原子结构和光电特性进行了深入研究,这些实验研究为未来研制基于硼烯的高性能电子器件奠定了良好基础。本文首先介绍硼烯的理论研究进展,然后着重介绍二维硼实验制备及其光电性能表征等研究,并对当前国际上二维硼薄膜实验研究进展进行了总结和展望。

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等.近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学建模与计算,还涉及其动力学优化设计.事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法.本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法.系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展.本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.

基于SH0导波的电磁超声换能器设计与实验研究

传统基于周期性永磁体的电磁超声换能器结构较复杂,为此该文提出了一种由单一永磁体和导线阵列线圈构成的电磁超声换能器(EMAT)用于激发板中的SH0导波。首先叙述了设计的原理,并采用有限元软件进行三维数值仿真分析,利用水平极化永磁体垂直于板面的磁场在铝板中成功激发出SH0导波。为使EMAT换能效率达到最优,研究长和宽为10 mm×25 mm的永磁体,其高度及线圈匝数不同时EMAT激励的效率。仿真结果表明,选用永磁体高度为25 mm及线圈匝数为37时EMAT换能效率和声场指向性较好。在此基础上,通过实验研究了不同线圈匝数对换能器换能效率的影响,实验结果与仿真结果一致,充分验证了该文设计EMAT的方法具有可行性。

单框架控制力矩陀螺输出特性分析

广泛用于航天领域的单框架控制力矩陀螺,具有力矩放大效应的优点,其理论基础为有假设条件的力矩放大原理.本文不局限于这些假设,不限定工况,解析单框架控制力矩陀螺的输出特性.考虑安装基座的运动,得到具有两维输入三维输出的单框架控制力矩陀螺力矩输出模型,提出将输出力矩分解为可调控与不可调控两部分.为分析单框架控制力矩陀螺的输出特性,定义两个参数,分别为输出输入力矩比和输出力矩利用率.研究发现,单框架控制力矩陀螺不恒有力矩放大效应,也不恒有高效的力矩利用率,两者与其状态密切相关.最后,以含两个单框架控制力矩陀螺的航天器姿态机动任务为例,对非对角奇异鲁棒操纵控制和优化控制进行仿真,检验了单框架控制力矩陀螺输出特性对控制效果的影响.同时,根据单框架控制力矩陀螺的三维输出特性,借助一个单框架控制力矩陀螺的优化控制,实现了航天器的三轴姿态机动.仿真结果显示,在优化控制过程中,单框架控制力矩陀螺始终具有力矩放大效应和高效的力矩利用率.

基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测

针对航天器遭受空间碎片和微流星体撞击的问题,对蜂窝夹层结构的超高速撞击损伤监测进行研究。提出将碳纳米管薄膜共固化在蜂窝夹层结构面板表面使之具有自感应能力,结合电学成像技术对超高速撞击造成的损伤进行监测和识别。采用二级轻气炮对自感应蜂窝夹层结构进行了超高速撞击,在撞击前后分别向感应层注入微小的激励电流,根据边界电压变化重建损伤引起的电导率变化图像,从而提供有关撞击和损伤的信息。试验结果表明,基于碳纳米管薄膜的感应层性能良好,重建的电导率变化图像能够较好地反映损伤个数、位置和近似尺寸,验证了所提出技术方法的有效性,为航天器结构超高速撞击监测提供了一种新的技术手段。

基于应力波的复合材料圆柱壳结构损伤概率成像研究

本文对复合材料圆柱壳结构健康监测进行了研究,采用应力波技术结合融合损伤概率成像算法,对损伤进行了监测和识别。首先通过在圆柱壳内壁设置压电传感器阵列,使用多通道阵列扫查系统依次在结构中激励和接收应力波信号;然后分别通过相关系数分析和盒维数分形分析方法处理信号,计算出不同传感器路径上的损伤指标;最后利用经过坐标变换以及图像融合方法改进的损伤概率成像算法,实现对复合材料圆柱壳结构中损伤的可视化识别。数值仿真和实验研究结果表明,应力波能够有效地监测和识别出复合材料圆柱壳结构中的损伤,所改进的融合概率成像算法能够提高损伤位置识别的精度。

非结构重叠网格显式装配算法

针对重叠网格中洞映射法占用过多物理内存的问题,发展了一种改进型洞映射法;基于相邻单元搜索法,发展了一种基于相邻阵面的贡献单元搜索法;通过将割补法与隐式切割技术相结合提出了一种非结构重叠网格显式装配算法。该算法首先生成一套包围物面的笛卡儿网格,其次存储所有与物面边界相交的笛卡儿网格信息,最后根据所存储笛卡儿网格与所需判断的网格单元的相对位置来判断其是否为洞内单元。在成功判断出所有洞内单元后,以当前洞边界为初始阵面推进,同时以各个网格单元的物面距离为判别标准对重叠区域进行优化,生成最终插值边界。所提算法优化了传统非结构重叠网格装配过程,具有物理内存占用低,贡献单元搜索次数少以及计算效率高等特点。通过2个典型复杂流动算例验证了所提算法的准确性与适用性。

基于印刷感应层电学稀疏成像的蜂窝夹层结构冲击损伤识别

蜂窝夹层结构在航空航天领域具有广泛的应用,但其在使用过程中不可避免地会遭受损伤,特别是冲击造成的损伤对其强度有很大的影响。本文结合现代电子印刷技术,采用石墨烯导电碳油墨和银浆油墨在蜂窝夹层结构表面制备智能感应层,结合电学成像技术对低速冲击损伤进行识别。使用落锤冲击试验装置对蜂窝夹层结构进行了低速冲击,并于冲击前后在印刷感应层中注入微小电流获取边界电压变化。对电压数据进行分析,基于SpaRSA稀疏正则化算法重建感应层电导率变化的图像,将损伤信息可视化。实验结果表明,所提出方法能有效地识别出蜂窝夹层结构中冲击损伤的个数、位置和大致尺寸,与传统基于Tikhonov正则化的算法相比,稀疏成像算法对损伤尺寸的识别效果更好,为蜂窝夹层结构冲击损伤在线识别提供了一种新途径。

基于音圈电机的主动悬架双闭环控制系统研究

为了提高电磁式悬架主动控制的性能,简化作动器结构以及控制系统,设计一套以单相两极的动圈式音圈直线电机作为作动器的主动悬架控制系统。设计了外环模糊PID,内环电流滞环的双闭环控制器。搭建了作动器驱动电路,验证音圈电机的电流跟踪控制,证明音圈电机作为作动器是简单有效的。通过分析汽车悬架模型和音圈电机模型,在MATLAB/Simulink仿真环境中按照实际参数搭建控制系统进行仿真验证,结果表明,该系统动态响应快,控制精度高,降低车身振动加速度约27%,该控制策略可以有效减振。

基于Lamb波的复合材料结构分层损伤扩展监测研究

分层损伤会严重削弱复合材料结构的强度和稳定性,对其进行监测和识别对保证结构安全具有重要意义。本文提出一种基于Lamb波和时频分析的方法,对复合材料结构中的分层损伤扩展进行在线连续监测。首先研究了Lamb波在含分层复合材料层合板中的传播特性,建立了Lamb波传播时间与分层长度之间的关系,为分层损伤扩展监测提供理论基础;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,测量出Lamb波在压电传感元件之间的传播时间用于确定分层长度等扩展情况。数值仿真和试验研究结果表明,随着分层长度的增加,Lamb波的传播时间逐渐延长,并与分层长度呈线性关系,可以通过小波变换提取的传播时间信息监测出分层的扩展,验证了所提出方法的可行性。

形状记忆合金鼓包的挠度控制研究

激波控制鼓包(Shock Control Bump,SCB)是一种被动式的减小激波阻力的方法。针对近年来提到的可变挠度鼓包,提出具有双程记忆效应的形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)鼓包,可以通过控制SMA鼓包的温度改变其挠度,优化SCB的减阻性能。为了达到精确控制挠度的目标,提出了一种基于Preisach理论的温度–挠度迟滞模型。对鼓包进行基于该模型的PID控制,试验结果表明该模型可用于SMA鼓包的挠度控制中,4个目标点的最大相对误差为5.17%,优于无模型的PID控制。

变体分比功能梯度点阵结构两尺度拓扑优化设计

功能梯度点阵结构以其轻质、高比强度/比刚度及高抗断裂韧性等诸多优越的性能受到广泛关注,由于其跨尺度及空间渐变的几何结构特点,目前功能梯度点阵结构的设计仍然是一项具有挑战性的任务.本文采用两步优化策略进行多分区功能梯度点阵结构刚度优化设计.(1)结合离散材料优化方法进行多分区离散材料优化,获得宏观均匀结构拓扑及合理的微结构分区.(2)进行空间梯度变化点阵结构参数优化,进一步扩大设计空间,获得变体分比的结构设计.相较于单一点阵微结构设计,两步优化策略可以更为有效地实现材料利用,显著提高结构刚度,且该方法适用于不同微结构构型,数值算例验证了该方法的有效性.

重力载荷作用下柔性梁的结构变形与承载力分析

柔性体在承受外载荷作用时,会通过自身变形,降低所承受的外载荷.为了研究重力载荷作用下柔性梁的结构变形与承载力之间的定量关系,首先建立模拟实验分析重力载荷在梁上的分布形式;基于Timoshenko梁的大变形本构方程,建立承受重力载荷作用下大变形梁的控制方程;通过量纲分析,确定研究两个无量纲变量,结构变形数与Cauchy数;数值求解控制方程,分析结构变形数与Cauchy数之间的定量关系;与实验结果对比,证实理论模型的可靠性,并结合文献中树枝承受雪载荷的实验数据,分析模型用于预测实际问题的可行性.所建理论模型可用于机械工程中柔性结构件的变形分析与承载力设计,也可用来预测自然界中风沙、大雪环境下植被的抗倒伏能力.

间隙与摩擦对翼舵结构模态参数影响研究

飞行器的翼舵结构主要用于控制飞行器的飞行姿态并保持其飞行的稳定性。受间隙和摩擦非线性因素影响,翼舵振动特性发生改变,从而影响飞行稳定性。因此,研究翼舵结构振动特性受间隙非线性和摩擦非线性的影响规律具有一定的理论意义和重要的工程应用价值。以某舵面为例,采用渐进加力法进行模态试验,得到不同激振力下舵面的各阶频率和模态振型,绘制出"激振力-频率"曲线,总结了间隙与摩擦对翼舵结构模态参数影响。

柔性转子弹性对行波旋转超声电机接触特性的影响

转/定子间动态接触过程决定行波旋转超声电机(TRUM)的输出性能,但是柔性转子弹性在以往界面接触特性研究中常被忽略.本文中基于建立的考虑柔性转子和摩擦层三维弹性的转-定子动力学耦合模型,从接触界面的接触状态、速度、接触应力、摩擦应力驱动和阻碍子区等空间分布角度,研究了柔性转子弹性对TRUM摩擦界面的动态接触行为和摩擦损耗的影响.结果表明:柔性转子在轴向、径向和切向均呈现出一定的振动速度,且在接触界面沿圆周方向与定子各向速度形成一定的相位关系,显著影响界面动态接触特性、摩擦特性和摩擦损耗;柔性转子与定子轴向位移分布的相位一致性表明,定子与摩擦层的接触界面具有类齿轮啮合机制;与以往中间驱动两端阻碍的分布结果不同,考虑转/定子动力学耦合的接触区摩擦应力分布为一端驱动和一端阻碍的新机制.计算结果表明在建模过程中忽略柔性转子弹性得到的界面摩擦损耗要比考虑柔性转子弹性获得的摩擦损耗大得多,主要原因:(1)柔性转子径向刚度小,摩擦力作用下接触区的运动方向与定子相同,从而减小了径向速度差和径向摩擦损耗;(2)柔性转子界面的切向振动特性,改变了接触界面黏-滑子区分布,使得行波远离端的摩擦应力阻碍子区消失,且摩擦层界面切向剪切变形长度增大,从而减小了切向滑动和摩擦损耗.研究结果将有助于更好地理解TRUM中的动态接触特性,并指导摩擦界面的设计.