基于单模态Lamb波的板状结构损伤识别方法

摘要

结构服役期内产生的损伤会危及人们的生命财产安全，因此对结构进行健康监测与损伤识别分析具有重要意义。在研究结构健康监测的过程中，人们发现导波比较适用于板状结构的损伤识别，因此发展了比较完备的基于 Lamb波的板状结构损伤识别方法。但Lamb波的多模态以及其频散现象限制了其应用。本文利用数值模拟与实验研究相结合的方法，研究了单模态的Lamb波对于板状结构的损伤识别效果。主要研究内容如下： 首先，基于弹性动力学理论，推导了Lamb波的频散方程，从理论上分析了其频散特性及单模态的Lamb波对于板状结构损伤识别的优势。以有机玻璃板为例，使用Matlab编程的方法求解了其频散方程并绘制了频散曲线，讨论了频散特性，确定了截止频率，为损伤识别过程中频率选择奠定了理论基础。 其次，选择了合理的频率与波形，构建合适的激励信号，基于 ABAQUS/Explicit对有机玻璃板建模并进行仿真分析。模型模拟了Lamb波在完整板和损伤板中传播过程与效果，并根据其传播特点，分别设置多种损伤工况包括单点损伤、多点损伤以及裂纹损伤，通过椭圆损伤定位技术确定损伤位置。椭圆定位法要求明确时间参数，在信号处理过程中，使用小波变换与Hilbert变换分析信号得到所需的时间参数。根据Lamb具有对称模态和反对称模态的特点，分别在激励处设置对称激励和反对称激励，或者处理接收信号可得到单模态的Lamb波。使用单模态Lamb波可对结构进行损伤识别，结果表明单模态Lamb波信号各成分更清楚易分析，尤其对与板状结构的多损伤或裂纹损伤的识别具有更加重要的意义。基于椭圆定位的损伤识别方法虽然精度满足要求，但多个椭圆的多个交点并非全部为损伤点，还需进一步确定损伤位置，这需要对损伤位置进行可视化模拟。绘制各条传感器路径形成的椭圆轨迹并将其离散，计算落在各离散单元内像素数目。当路径较多时可直观地观察到损伤位置，并可以剔除伪损伤点。 最后，建立实验平台，根据理论分析和实验工况确定合适的激发频率、激励电压等参数，确定Lamb波模态单一化方法，利用单模态Lamb波对有机玻璃板进行损伤识别。分析比较了单模态Lamb波的损伤识别方法相对于传统方法的优势，较为精确地得到的损伤位置。研究了损伤大小对信号及损伤识别结果的影响。实验结果表明，可利用单模态Lamb波对不同长度的裂纹损伤进行识别。当传感器足够多时，可识别出裂纹损伤形状。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 结构损伤识别与损伤检测

1.3 论文研究背景及意义

1.4 国内外研究现状

1.5 本文研究内容

第2章 Lamb波基本理论及损伤识别方法

2.1 引言

2.2 板中的波

2.3 频散曲线的绘制

2.4 单模态Lamb波

2.5 椭圆定位技术

2.6 本章小结

第3章 单模态Lamb波传播特性数值模拟

3.1 引言

3.2 动力学显式有限元方法计算原理

3.3 板状结构建模

3.4 损伤识别

3.5 单模态Lamb波的结构损伤识别

3.6 双损伤结构损伤识别

3.7 损伤成像模拟

3.8 裂纹损伤识别

3.9 本章小结

第4章 单模态Lamb波损伤识别实验研究

4.1 引言

4.2 实验装置及方案

4.3 激励信号

4.4 信号处理

4.5 模态选取与确定

4.6 损伤识别

4.7 损伤对Lamb波信号的影响

4.8 裂纹损伤识别的实验研究

4.9 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢