复合材料结构的低速撞击监测研究

摘要

飞行器结构在制造、维修和使用过程中不可避免地要受到低速撞击载荷，造成的撞击损伤会降低结构的承载能力。复合材料在航空航天等工程领域得到了广泛应用，复合材料受到撞击后会产生目不可检的损伤，这对结构的安全性和完整性造成极大威胁。撞击监测技术可以提高结构的安全性和服役寿命并降低维护费用。在飞行器结构的被动式结构健康监测中，撞击监测的应用还而临许多挑战，包括:如何对撞击位置进行快速定位，以便对可能的损伤位置进行检测;如何估计撞击载荷时间历程或撞击能量，从而对撞击损伤的大小进行评估;如何开发一个能够实时监测撞击事件的撞击监测系统等。针对被动式撞击监测技术，本文研究了撞击监测的相关问题，包括撞击位置、撞击载荷、撞击能量的识别问题，以及撞击监测系统的设计与集成，主要研究工作包括以下几方面:
　　首先，介绍了结构健康监测技术的研究背景和研究意义，并分析和总结了国内外研究现状，根据现有问题，提出了本文的研究内容、论文结构和技术路线。
　　第二，分析了信号处理技术并提出了一种基于信号能量衰减的定位方法。研究了薄板中应力波的传播特性，并推导了压电传感器电压响应和结构应变的传递关系，分析了时域、频域和时频域的信号处理技术;然后提出了基于信号能量衰减的加权重心法，此方法可以避免提取难于精确获得的波达时间和波速，从理论和实验上验证了此方法的可行性。
　　第三，针对加筋复合材料结构的撞击识别问题，研究了基于信号功率分布面的定位方法和基于系统辨识的撞击载荷重构方法。针对撞击位置识别问题，提出了两步法来估计撞击位置，完善了基于信号功率分布面的定位方法;撞击载荷的重构采用系统辨识方法，通过分析系统辨识方法巾传递函数的模型阶次和相关性系数的关系，完善了模型阶次选择的原则。
　　第四，提出了一种精确估计撞击位置和撞击载荷的方法。通过构建撞击位置和传感器信号的基向量，可以准确的识别撞击位置;此方法具有较好的识别精度，适用于复杂结构，并且基向量可以进行扩展，可以选择撞击源不同的信号特征。利用简化维数的传递函数可以估计撞击载荷时间历程。软锤头和硬锤头是两种常见的典型锤头，故研究了两种不同撞击物的撞击识别。在环氧基玻璃纤维平板结构上验证了此方法的有效性。
　　第五，提出了一种撞击能量识别方法。关于撞击能量的识别，前人研究的比较少，还没有一个完善的撞击能量识别方法。首先，通过信号特征分析，获得了不同撞击物的应力波信号特征;然后引入基向量来描述撞击源的特征，并利用不同的基向量来识别不同的撞击物、撞击位置和撞击能量。在复合材料平板结构上进行了实验验证，实验结果表明此方法可以有效识别撞击源的撞击位置和撞击能量，为撞击能量识别提供参考。
　　第六，国内关于撞击监测系统研究还不全面，还没有完善的撞击监测系统，故研发了一套被动式撞击监测系统。首先根据功能需求，对整机系统进行了软件和硬件的设计与集成。硬件设计具有体积小、重量轻、便于安装和使用的特点，软件设计有界面操作方便、可移植、计算效率高的特点。然后，通过在复合材料平板结构上的撞击监测实验，对该系统进行了功能性验证，并在飞行器的加筋复合材料结构上进行了撞击监测实验，实验结果表明该系统可以实时监测撞击事件。该监测系统能够实现撞击时刻，撞击位置和撞击能量的实时监测。
　　最后，总结了论文的主要工作与创新点，并对后续工作进行了展望。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 问题提出与研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 传感器技术

1．2．2 撞击定位技术

1．2．3 撞击载荷识别

1．2．4 结构健康监测系统

1．2．5 研究现状分析

1．3 本文主要研究思路与内容

2 基于信号衰减的撞击定位方法

2．1 引言

2．2 Lamb波的传播

2．3 传感技术

2．3．1 压电传感器

2．3．2 传感器的校准

2．4 信号处理技术

2．4．1 时域

2．4．2 频域

2．4．3 时频域

2．5 加权重心法

2．6 实验验证

2．7 本章小结

3 基于两步法和系统辨识的撞击监测方法

3．1 引言

3．2 撞击识别方法

3．3 撞击定位的两步法

3．4 基于系统辨识的载荷重构

3．4．1 模型的构建

3．4．2 实验的验证

3．5 本章小结

4 基于基向量和简化的传递函数的撞击监测方法

4．1 引言

4．2 撞击识别算法

4．3 定位方法

4．4 撞击载荷重构

4．5 不同锤头的撞击识别

4．6 本章小结

5 基于基向量的撞击能量识别方法

5．1 引言

5．2 参数研究

5．2．1 不同撞击高度

5．2．2 不同直径的球形撞击物

5．2．3 不同弹性模量的球形撞击物

5．3 不同撞击物的识别

5．4 基于基向量的定位方法

5．5 基于基向量的撞击能量估计方法

5．6 实验验证

5．6．1 校准与测试

5．6．2 结果与讨论

5．7 本章小结

6 撞击监测系统的研发

6．1 引言

6．2 软硬件的设计

6．2．1 系统硬件设计

6．2．2 系统软件设计

6．2．3 软硬件的集成

6．3 系统的验证

6．4 飞行器结构的撞击监测

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要工作及结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介