基于主被动波动技术板状结构损伤定位方法

摘要

板状结构作为承载构件广泛应用于各工程领域中。在长期内外因素的共同作用下，板状材料往往会产生局部腐蚀和疲劳裂纹，逐渐加速结构整体性能的退化，使缺陷损伤累积，甚至引发突发事故。因此对板状结构进行损伤检测或监测、损伤定位、损伤程度评估、结构剩余寿命预测乃至结构损伤的自动修复，对于确保工程的安全运行具有重要的理论和工程应用价值。
　　准确判断板状结构损伤的有无并确定损伤的位置是整个结构健康监测过程中的首要任务，可为其他后续决策提供指导依据。本文基于板状结构波动理论及健康监测主被动技术的适用特性，通过联合被动声发射和主动Lamb波监测技术对板状结构的动静态损伤进行了定位成像研究。文章首先综述了两种监测方法的技术原理和研究进展，阐述了联合主被动监测技术对板状结构损伤诊断的可行性分析。然后在此基础上提出了本文的主要研究内容、研究思路和结构纲要。
　　本文所提出的板状结构损伤定位方法是基于波动理论的监测技术，损伤信息在板状结构中以Lamb波的形式传播，因此Lamb波的传播特性分析是板状结构健康监测研究的基础。本文从弹性力学理论出发，推导了自由板中Lamb波的传播特性方程并利用数值方法绘制了Lamb波的频散曲线，为本文的研究提供理论依据。事实上，结构损伤的监测定位必须依赖一定的定位算法，通过对常规损伤定位算法的优劣性分析，本文提出了结合传感器网络阵列的波束成形算法来实现板状结构损伤的定位成像，并利用信号Hilbert变换和概率诊断成像技术对损伤定位进行了优化改进，取得了良好的效果。
　　为验证波束成形算法对板状结构主被动探伤定位成像的有效性，以声发射机理和Lamb波与损伤的相互作用为基础，本文结合有限元仿真和现场实验对板状结构的动静态损伤进行了定位成像。并利用控制变量法对相关因素对定位效果的影响进行了探究论证。研究表明，波束成形算法以阵列输出的形式实现了对损伤的精确定位并可直观显示，概率诊断成像技术更合理地优化了定位结果。通过开发波速扫描程序，避免了结构频散曲线的求解绘制，实现了未知波速下结构损伤定位的可行性，提高了算法的优越性。本文还将应用对象推广至大孔径薄壁结构并取得了精确定位，不仅如此，还分别成功实现了对板状结构动静态多损伤定位成像，大大扩展了定位算法的适用性。为了摆脱对结构健康基准信号的依赖，本文尝试性地采用窗函数截取特征损伤信号，实现了板状结构无基线损伤定位成像，提升了算法对结构无基线损伤评价的应用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 声发射探伤技术

1．2．1 声发射简介

1．2．2 声发射监测技术

1．2．3 声发射探伤国内外研究现状

1．3 超声Lamb波探伤技术

1．3．1 Lamb波简介

1．3．2 Lamb波监测技术

1．3．3 Lamb波探伤国内外研究现状

1．4 主要研究内容

1．5 本章小结

2 理论基础

2．1 Lamb波传播力学模型

2．1．1 弹性力学基础

2．1．2 Lamb波传播数理推导

2．1．3 Lamb波频散曲线

2．2 波束成形算法

2．2．1 常规定位方法优缺点

2．2．2 波束成形基本原理

2．2．3 线性阵列稳定性分析

2．3 本章小结

3 铝板声发射源定位有限元仿真

3．1 系统模型与激励模型

3．1．1 有限元模型

3．1．2 声源模型

3．2 信号处理

3．2．1 响应信号叠加

3．2．2 希尔伯特变换

3．3 定位结果

3．4 算法影响因子分析

3．5 概率诊断成像

3．6 本章小结

4 声发射源定位实验验证

4．1 实验系统和方案

4．2 铝板源定位实验

4．2．1 铝板实验方案

4．2．2 损伤定位成像

4．3 钢筒源定位实验

4．3．1 钢筒实验方案

4．3．2 损伤定位成像

4．4 多损伤定位成像

4．5 本章小结

5 主动Lamb波探伤定位成像

5．1 Lamb波与损伤相互作用模型

5．2 ABAQUS有限元模拟

5．3 单损伤定位成像

5．4 多损伤定位成像

5．5 无基线损伤定位方法

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢