基于导波的结构损伤识别与定位算法研究

摘要

大型的建筑结构或者一些现场设备、材料在使用过程中随着时间的推移经历环境侵蚀、结构老化、疲劳效应等，容易存在结构性损伤，出现耐用性能下降，可靠性得不到满足，直接影响到国民生命财产安全以及工业产品的生产质量。引入健康监测方法来对结构中潜在的损伤状况进行检测、评估，确保结构处于安全工作状态势在必行。许多大型的结构或者复杂的现场部署结构如果单靠人力进行检测维护，不但耗费大量人力物力，还可能存在由于结构的复杂或处于人力所不能及的状态而导致的检测盲区。因而智能化、标准化的检测手段越来越得到人们的重视。
　　本文的研究背景为对热轧生产线生产出来的钢板进行结构质量检测。钢板在生产过程中需要经历高温、高压、高强度的环境，再加上在通过传送辊传送的过程中，容易因打滑、偏摆、碰撞而产生表面缺陷，如凹坑、裂纹等，影响钢的品质。甚至，有些缺陷隐藏在结构内部，形成残次品，在使用过程中留下致命隐患。厂方为了保证产品质量，需要对所出品的钢板进行结构健康检测。单纯依靠人眼进行辨识自然无法完成这项任务，在这种情况下，就需要依靠专门的结构损伤的识别方法。近年来，随着智能材料的概念的出现以及计算机科学和传感、通信技术的快速发展，使智能传感器和网络化的智能健康监测系统的实现成为了可能。其中可用于超声导波检测的压电晶片造价便宜，体积小，适合在空间中大规模部署，作为智能传感元器件对结构进行主动检测。导波检测属于一种无损超声检测技术，它通过附着在材料表面或者嵌入材料内部的压电换能元器件激励产生弹性应力波，然后利用同样部署在材料表面或内部的压电换能传感器检测接收材料中传播的导波信号并进行处理分析。对于在厚度方向上伸展远小于长、宽度方向的结构，结构会成为波的导体令导波可以沿着结构表面长距离传播而相对耗散较小，因而在对人力难以抵达的部位进行探测时能派上很大用场。并且高频的导波对结构内部或者表面的不连续、缺损、中空等损伤十分敏感，导波会在这些位置发生折射反射，其中还包括复杂的模态转换过程，与损伤部位的这些相互作用会使接收到的导波中存在损伤特征信息，对这些特征信息的分析处理可以推测出损伤的位置、轮廓形态乃至受损的严重程度等。所以导波检测也适用于对视线无法触及结构内部进行检测。
　　本文研究了超声导波检测的原理和方法，并考虑如何应用到结构的损伤检测、定位上，主要内容包括：⑴超声导波在结构中的传播特性以及与损伤部位的相互作用，导波的传播模型描述。⑵对导波信号的多模态特性进行研究，将原始时域信号转换到频率-波数域上，并使用谱聚类的方法对多模态进行识别与分离。⑶通过对导波的传播机理进行建模，获得能描述导波传播特性的模型，并使用有限元方法拟合原模型使拟合模型可以在运算复杂度与求解精度上取得平衡，从而节省运算资源。⑷基于导波信号的损伤定位算法。基于压缩感知的思想，根据损伤的空间分布特性施加稀疏约束，并克服模型的欠定性，实现损伤的定位。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 基于导波的损伤检测研究发展状况

1.3 本文研究的主要内容与贡献

1.4 本文的结构安排

第二章 导波研究基础知识

2.1 引言

2.2 导波机理

2.3 导波的特性

2.4 导波的损伤探测原理

2.5 仿真软件

2.6 激励信号选择

2.7 信号的发送接收方式

2.8 损伤识别方法

2.9 损伤定位方法

2.10 本章小结

第三章 基于谱聚类的导波模态分离方法

3.1 引言

3.2 模态分离原理

3.3 二维傅立叶变换

3.4 基于谱聚类的频率-波数域的模态分离方法

3.5 仿真与结果讨论

3.6 本章小结

第四章 基于有限元模型的稀疏损伤定位算法

4.1 引言

4.2 系统模型的构建

4.3 基于稀疏正则化的损伤定位方法

4.4 仿真结果与讨论

4.5 本章小结

全文总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录