基于Lamb波与时频分析技术的复合材料损伤检测研究

摘要

复合材料以其优越的性能广泛地运用在各个领域,这同时也对保证产品质量的损伤检测技术提出了严峻的挑战.损伤检测技术的发展成为复合材料能否有效和扩大应用的关键.本文将Lamb波与HHT等时频分析技术结合起来,用于复合材料的损伤检测.本文首先从理论上分析Lamb波的多模式和频散现象,计算频散方程,绘制相速度与群速度曲线,为最优的利用Lamb波提供了有效的理论依据.在其基础上结合实验在传播模式、中心频率、信号幅值、波峰数以及激励波形五个方面完成了Lamb波的优化.其次,介绍了短时傅立叶变换、小波变换和HHT三种时频分析方法,包括理论分析以及三种算法的Matlab编程.其中从瞬时频率求解、经验模式分解和Hilbert谱绘制几个方面重点分析了HHT,同时提出了经验模式分解过程中边缘处理和内在模准则确定中存在的问题,并给出了解决方法,改善了HHT的分析效果.最后,结合以上理论来进行复合材料损伤检测实验和分析.包括损伤存在性的判定、损伤位置敏感度和形式敏感度的判定、损伤定位以及损伤程度初步估计研究.研究表明,当损伤发生后会导致信号谱图发生改变;不同位置的损伤以及不同形式的损伤所产生的损伤敏感度不同,因此合理的压电片布局是非常重要的;利用椭圆法和时频分析法可以进行初步的损伤定位;初步估计微小损伤的微小渐变不会对基体材料的整体性能导致质变的影响.所有的分析结果同时证明了HHT较之其它两种时频分析方法是更加优越的一种时频分析方法.

目录

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第一章绪论

1.1复合材料损伤检测技术的发展和应用现状

1.2 Lamb波激励下的HHT损伤检测技术

1.3损伤检测中的超声波信号

1.4损伤检测的信号处理方法

1.4.1传统的信号处理方法

1.4.2时频分析处理方法

1.5本文的主要内容

第二章应用于损伤检测的Lamb波分析

2.1 Lamb波综述

2.2 Lamb波的频散方程

2.3复合材料中Lamb波频散方程的数值计算

2.3.1横波速度与纵波速度的计算

2.3.2超越方程的求解

2.3.3群速度与频厚积的关系求解

2.3.4频散曲线分析

2.4 Lamb波的产生

2.5复合材料损伤检测中Lamb波的优化

2.5.1实验系统软硬件组成

2.5.2损伤检测中Lamb波的优化

2.6本章小结

第三章时频分析法

3.1短时傅立叶变换

3.2小波变换

3.3黄氏变换

3.3.1瞬时频率

3.3.2内在模函数IMF

3.3.3经验模式分解法

3.3.4 EMD实现过程中的问题

3.3.5 Hilbert谱

3.4实例分析

3.5本章小结

第四章复合材料损伤检测分析

4.1判断损伤的存在

4.2判断损伤敏感度

4.2.1判断损伤位置敏感度

4.2.2判断损伤形式敏感度

4.3判断损伤位置

4.3.1损伤定位原理[58]

4.3.2差信号的提取

4.3.3时频分析定位法

4.4损伤程度初探

4.4.1粘贴障碍物造成的损伤

4.4.2打孔损伤

4.5本章小结

第五章总结

5.1全文总结

5.2存在的问题与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果