航空结构中Lamb波传播的谱有限元模拟及损伤识别技术研究

【类型】学位论文

【作者】孙虎 

【关键词】 结构健康监测 压电元件 谱有限单元法 分形维数 无参考信号损伤识别

【摘要】近年来基于Lamb波的结构健康监测技术得到了广泛的关注和研究,使得使用集成在结构内部的压电传感器网络在线实时地评估航空结构的安全状态成为可能。应用压电元件激励/接收结构中的Lamb波,获取损伤的位置、程度以及扩展信息,及时对结构完整性作出评估,对于提高飞行安全,减少飞机维护时间,增加出动率具有至关重要的意义。本文对航空结构中Lamb波的数值模拟技术以及损伤识别方法进行了研究。发展了两种新型的谱有限单元使得快速数值模拟压电元件对结构中Lamb波的激励和接收成为可能,并发展了一种先进的信号处理技术和一种无参考信号识别方法对航空结构的单损伤和多部位损伤进行成像,评估航空结构的健康状况。本文的主要研究内容和取得的成果有:(1)基于频域谱有限单元法发展了“压电元件-主结构”两层结构组成的谱梁单元模型和“压电元件-胶层-主结构”三层结构组成的谱梁单元模型,模拟压电元件对梁状结构中Lamb波的激励和接收。基于接触处位移协调的假设,将“压电元件-主结构”两层结构和“压电元件-胶层-主结构”三层结构分别当作一个混合的单元,推导其在频域内的动刚度矩阵。通过和基于二维弹性理论的有限单元法进行比较发现,所发展的频域谱有限单元在保持精度的同时,计算效率有了质的飞跃。另外,讨论压电元件的长度、厚度以及胶层的厚度等参数对接收信号的影响,为结构健康监测中压电元件和胶层的参数选择提供了理论参考。(2)基于Legendre时域谱有限单元法发展了“压电元件-主梁结构”组成的一维谱梁单元模型和“压电元件-主板结构”组成的二维谱板单元模型,模拟压电元件对梁状和板状结构中Lamb波的激励和接收。基于接触处位移连续的假设,将“压电元件-主梁结构”一维两层结构和“压电元件-主板结构”二维两层结构分别当做一个混合的单元,推导其基于时域谱有限单元法的动力学方程。通过和弹性理论的有限单元法进行对比,验证了所发展模型的正确性,并突显了其在分析Lamb波传播上的快捷性。(3)发展了一种先进的信号处理技术——分形维数法,对传感器测得的Lamb波信号进行处理,识别复合材料结构的损伤。首先利用盒计算维数法来计算传感器阵列所采集信号的分形维数,对比复合材料结构损伤前与损伤后信号分形维数的差异,提取损伤指标;然后基于一种改进的损伤存在概率成像算法,以直观的形式对复合材料结构中的损伤进行成像。通过仿真研究和实验研究验证了基于分形维数的损伤识别方法在识别复合材料平板和加筋板结构中单损伤和多部位损伤时的可行性和有效性。(4)发展了一种基于相似路径的无参考信号的损伤识别方法,对金属和复合材料板状结构中的损伤进行识别。根据Lamb波在遇到损伤时会发生散射现象这一特点,认为传感器网络中某一条路径若通过或靠近损伤时,其首次到达波包信号的能量会有所减弱。利用这一特征,对传感器网络中的路径进行分类,分为若干种相似路径,对比相似路径中传感器接收到的首次到达波包信号的能量,定义损伤指标,并进行损伤成像。通过研究验证了基于相似路径的无参考损伤识别方法对识别金属板和复合材料板结构中单损伤以及多部位损伤进行识别的可行性和有效性。

【学位名称】博士

【学位授予单位】南京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】周丽

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