基于Lamb波非反射吸波边界的复合材料板结构损伤定位研究

发布时间：2020-08-28 12:48

　　近年来,复合材料层合板凭借其高强度、高刚度以及优良的热稳定性、抗疲劳性等特点,被广泛应用于航空航天领域。而结构健康监测技术(SHM),尤其是具有在薄板结构中可以长距离传播、损伤敏感度高以及实时性等特点的Lamb波结构健康监测技术,得到了全世界学者的重点关注与研究。但复合材料的各向异性特性以及结构边界的存在使得Lamb波的传播变得极为复杂,进而影响到损伤位置的监测。本文主要研究了有限元仿真结构检测中COMBIN14缓冲器非反射吸波边界下Lamb波在复合材料中的传播特性,在此基础上引入公共外切圆对椭圆定位法进行改进,并进行了仿真及实验研究。首先,介绍了Lamb波在复合材料中的传播特性;对吸波边界相关理论展开研究,发现了传统非反射吸波边界并不能对Lamb波进行有效的吸收,引入了COMBIN14缓冲器单元,从而改进了非反射吸波边界的设置。研究了吸波边界长度、COMBIN14单元方向、激励信号中心频率等参数对COMBIN14非反射吸波边界吸波有效性的影响。之后,利用商用有限元软件ANSYS编写APDL代码,建立了包含复合材料板、压电换能器和COMBIN14缓冲器非反射吸波边界的仿真模型,实现在复合材料板结构中激励Lamb波以及无边界反射的响应信号接收。根据Lamb波传播特性对椭圆定位法进行了改良,提出了公共外切圆定位法,并进行了数值模拟,研究了其相较于六交点拟合定位法对损伤定位及损伤程度监测的优越性。最后,基于图形化编程软件LABVIEW及NI PXIe-1062Q集成机箱等硬件设备搭建复合材料损伤监测实验平台。研究了不同直径损伤圆孔及不同监测区域大小对Lamb波公共外切圆椭圆定位法损伤定位及损伤程度估计的影响,同时对这种方法实施的可行性进行了验证。
【学位单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

示意图,对称模,质点振动,模态

Lamb 波传播基本理论Lamb 波是指在自由边界固体薄板中的弹性波，当板厚与激励波长处于相级时，薄板中的纵波和横波发生耦合从而产生的一种特殊弹性应力波。其仅发生在波传播的方向上，也发生在垂直于板的方向上。当在板的某一点超声波，由于板存在边界，无法做到横波及纵波分别以各自特征速度传播生波耦合，当超声波传播到板的上、下界面时，会发生波形转换及耦合，定距离之后会叠加而产生“波包”，即模态，而在传播过程中会产生不同，各个模态的叠加效果即为 Lamb 波。根据薄板内质点振动位移的相位Lamb 波的模态被分为对称型和反对称型。对称模态是指 Lamb 波在传播，其质点在板中的振动位移方向与板的中心面相互对称，即质点的振动矢分解为相同的水平分量和相反的垂直分量；而反对称模态则指在波的传中质点在板中的振动位移方向与板的中心面反对称，即质点振动矢量的量振动方向相反，垂直分量的振动方向相同。对称模态和反对称模态质点的振动示意图如图 2.1 所示：

正交各向异性板

率和板厚乘积的函数，对称模态的方程能得出无2……Sn[46]。模态状结构中传播时，反对称模态的波动方程为: (√ ) (√ )= √ √ ( ) 个参数所代表含义和式（2.1）各参数相同，与对程也有无穷多个解，分别为 A0、A1、A2……中 Lamb 波的传播理论材料特性是各向异性，波在其中进行传播时，因发生偏移、群速度与相速度不一致等问题，使得困难很多倍。尽管研究者们已经做了大量努力，的理论基础。本小节介绍了目前公认的较为合

频散曲线,铺层顺序,厚度,相速度

根据声张量理论定义得 = = ，其中为波前法向量的， = ， = ， = 。最终得( ) = (方程即为各向异性板的频散方程。若要式（2.10）有非零解，则系数矩必须为零，即式 = ，其中参数取决于各向异性板的对称传播方向，因此有|( ) ( ) ( )| = (，参数、、可由声波张量表达式求得。将式 = 展到系数矩阵所有元素的值。在确定各向异性材料的弹性系数常量和复铺层角度之后就可计算出相速度频散曲线。基于上述复合材料板中 Lamb 波传播理论进行数值计算，得到相速度频合材料板厚度为 3.5mm，共 24 层，铺层顺序为[45°/0°/-45°/90°3 为 0 度方向上的相速度频散曲线。

【参考文献】