基于兰姆波的薄壁结构损伤识别

摘要

结构损伤的产生及破坏往往是从早期小尺寸损伤逐渐发展而来，结构损伤的位置、大小及形状的“扩展”直接关系着结构的安全及使用寿命。兰姆波（Lamb Wave）作为一种特殊的弹性应力波，由于其具有传播距离远、能量衰减小、对损伤反应灵敏等特点，被广泛应用于薄板或薄壳结构的损伤识别中。现阶段，基于兰姆波的结构损伤识别研究主要是采用损伤指数来判断结构“是否存在损伤”，或者采用基于超声波成像的方法对“损伤定位”，但是针对结构早期小尺寸损伤、损伤形状及大小识别的研究较少，另一方面传统的损伤成像定位算法存在损伤定位精度低、损伤成像区域远远大于真实的损伤区域且成像图像中存在大量“伪损伤”等缺点。因此，本文主要对基于兰姆波的结构损伤尺寸形状识别及损伤成像定位识别方法进行系统地研究，采用理论研究、数值分析与实验相结合的方法，重点解决结构早期小尺寸损伤及损伤形状识别问题，并针对如何提高现有成像定位识别方法定位精度和效率开展研究，主要研究内容及结论如下:
　　(1)基于经典的兰姆波波动理论，采用数值分析的方法研究了兰姆波在结构中传输的多模态及频散特性，基于调谐兰姆波理论分析了利用压电陶瓷激发单模态兰姆波的条件，并确定了兰姆波激发信号的选取原则。数值分析的结果表明:在一定的频厚积范围内，仅存在So模态和Ao模态的兰姆波，且So模态兰姆波群速度比Ao模态的兰姆波的群速度大得多，利用该特性可以有效地抑制其它模态兰姆波并分离So模态和Ao模态的兰姆波;当由压电陶瓷来激发兰姆波时，存在一系列的调谐频率，可使So模态兰姆波或Ao模态兰姆波应变为0，即结构中仅存在单一模态的兰姆波。
　　(2)从能量的角度来研究金属材料早期小尺寸损伤对超声波能量衰减的影响，提出采用基于超声波能量扩散机理来定量识别金属结构小尺寸损伤。推导了含损伤单相均匀介质内超声波能量扩散系数表达式，分析发现，对于圆形孔状损伤，超声波能量扩散系数与圆形损伤直径的平方成反比，因此，当结构损伤较小时，结构损伤的微小变化即可引起超声波能量扩散系数的明显变化，利用该特性即可对结构早期微损伤进行识别。还设计了实验来研究兰姆波频散及多模态特性对超声波能量扩散的影响，实验结果表明，结构损伤会改变超声波在结构中的能量传输，且当结构中仅存在单一模态兰姆波时，超声波能量扩散系数及耗散系数与结构损伤的直径成单调下降或上升的关系，而当结构中同时存在多种模态兰姆波时，由于各模态兰姆波群速度不同，导致超声波能量传输不同步，而造成圆孔损伤直径与能量扩散系数及耗散系数并不严格成单调下降或上升关系，在利用超声波能量扩散机理对结构小尺寸损伤进行识别时应合理选择脉冲信号的中心频率来激发单一模态的兰姆波。
　　(3)提出了一种混合时间延时叠加成像算法。该算法充分利用了传感器所接收到的信号信息并同时采用椭圆定位和双曲线定位方法来获得结构的损伤图像，引入边界反射系数来抑制边界反射波所产生的伪损伤信号，以此来提高结构损伤成像定位的精度。实验结果表明混合时间延时叠加算法较传统时间延时叠加算法更能准确地获得结构损伤的位置，并极大地减小了伪损伤的数量。
　　(4)提出了一种时间延时逻辑“与”运算叠加成像算法，采用逻辑“与”运算得到的损伤图像可从根本上解决传统成像算法在获得损伤图像的同时会不可避免地会引入伪损伤的缺点，该算法还采用基于局部最大值求信号包络的方法来消除因希尔伯特变换法所带来的时间偏移。铝板实验结果表明基于逻辑运算的时间延时叠加算法与传统成像算法相比，可以有效抑制伪损伤，实现结构损伤的高精度定位。
　　(5)开展了基于兰姆波的结构损伤形状识别方法的研究，提出了一种针对板状结构损伤形状及尺寸识别新方法。该方法采用压电陶瓷在结构中激发兰姆波并接收其在结构损伤处的反射波，反射波在损伤处的反射点可通过在椭圆上寻找距损伤边界曲线曲率中心距离最小的点来得到，这些反射点的凸包络即为结构损伤的形状。实验结果表明，利用该方法可以有效识别圆形和矩形损伤形状及尺寸。
　　本文针对铝板结构的早期小尺寸损伤识别、损伤成像定位方法、损伤形状识别的研究可为基于兰姆波的结构损伤识别方法进一步深入研究及其在实际工程中的应用提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 兰姆波特性研究现状

1．3．1 结构损伤大小及形状识别研究现状

1．3．2 结构损伤成像定位识别研究现状

1．4 超声波能量扩散机理及其在结构损伤识别方面的研究现状

1．5 当前研究存在的问题

1．6 本文的主要工作

第2章 兰姆波在薄壁结构中的特性

2．1 引言

2．2 结构中兰姆波的基本特性

2．2．1 多模态特性

2．2．2 频散特性

2．2．3 兰姆波波长

2．3 结构中的调谐兰姆波

2．3．1 压电陶瓷与结构问的相互作用

2．3．2 压电陶瓷激发的调谐兰姆波

2．3．3 兰姆波激发信号的选取原则

2．4 本章小结

第3章 基于超声波能量扩散机理的结构早期损伤定量识别

3．1 引言

3．2．1 损伤识别简化模型

3．2．2 损伤识别基本方法

3．3 基于超声波能量扩散机理的铝板实验装置

3．4．1 损伤时域波形

3．4．2 结构损伤识别

3．4．3 兰姆波模态对能量扩散系数的影响

3．5 本章小结

第4章 基于混合时间延时叠加成像算法的结构损伤定位

4．1 引言

4．2．1 MDAS成像原理

4．2．2 边界反射波抑制处理方法

4．2．3 兰姆波信号的预处理

4．2．4 MDAS成像图像

4．3 实验测试系统设计

4．4 实验结果分析

4．5 MDAS成像定位识别基本方法

4．6 本章小结

第5章 基于时间延时逻辑与运算成像算法的结构损伤定位

5．1 引言

5．2．1 DABA成像原理

5．2．2 兰姆波信号信号处理方法

5．2．3 反射波包络检测

5．2．4 兰姆波信号的逻辑化处理方法

5．2．5 DABA成像图像

5．3 实验测试装置设计

5．4 实验结果分析

5．5 本章小结

第6章 基于反射波的结构损伤形状识别

6．1 引言

6．2．1 形状识别基本模型

6．2．2 结构损伤反射点

6．2．3 结构损伤形状

6．3 结构损伤形状识别过程

6．4．1 实验测试系统设计

6．4．2 实验结果分析

6．5 多种形状损伤识别实验研究

6．5．1 实验测试系统设计

6．5．2 实验结果分析

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 全文工作的总结

7．2 主要创新点

7．3 进一步工作的展望

参考文献

致谢

附录