基于基准匹配的超声导波信号环境补偿技术研究

发布时间：2020-04-19 08:46

【摘要】：基于超声导波的结构健康监测技术是提高飞行器结构安全性、降低维护成本的重要手段,但环境因素极易引起超声导波诊断信号的改变,导致损伤虚报或误报,降低损伤诊断结果的可靠性,限制其工程化应用,因而必须对环境因素进行补偿。本文采取数值模拟和实验验证相结合的研究方法。首先对超声导波分别在温度和载荷单独作用下的传播过程进行了理论分析和数值模拟,掌握超声导波传播特性变化规律;然后在典型航空铝板上布置压电传感器网络以激励和接收超声导波,并分别在恒温箱、拉伸试验机和高温拉伸试验机上进行单一环境因素作用及两个环境因素耦合作用试验,提取环境因素对超声导波影响的信号特征量,在此基础上提出了基于基准信号匹配的超声导波环境补偿方法,并采取基于概率加权分布成像的损伤诊断算法,验证了该环境补偿方法的有效性。本文主要的研究工作和结果总结如下:(1)讨论分析了温度和载荷单独作用下的超声导波在板状结构中传播机理,采取多物理场仿真分析软件Comsol模拟了温度和载荷作用下的超声导波传播过程,并总结了单一环境因素(温度和载荷)对超声导波信号的幅值和到达时间的影响规律。(2)从实验角度,设计了单一环境因素对超声导波传播特性影响的试验方案,分析了温度和载荷对超声信号幅值、相位和波速三个特征量的影响规律,得出温度对超声导波的影响大于载荷对超声导波的影响,但载荷对导波的影响具有方向性。导波信号特征量的变化随环境因素的改变具有近似的线性关系。在此基础上,借鉴匹配追踪算法的求解思路,提出一种基于基准信号匹配的超声导波信号环境补偿方法,并讨论了导波信号激励频率和路径差异对补偿结果的影响。该方法的特点是当第一次补偿的效果不满足给定要求,可选取残差信号,进行多次迭代补偿以满足给定的要求。(3)从多环境因素耦合作用的角度,设计了温度和载荷联合加载的试验方案,讨论分析A0和S0两种模态超声导波信号的三个特征量的变化规律,发现两者耦合作用下对导波信号产生了高度非线性影响。通过改进基准信号集的选择,利用基于基准信号匹配的超声导波环境补偿方法来实现温度-载荷耦合作用影响下的补偿。总之,环境因素单独作用和耦合作用的实验结果均验证了该补偿方法的有效性。
【图文】：

导波,温度影响,超声导波,环境因素

了超声导波的检测性能，引入统计Ｉ和ＩＩ类误差［２５］。而飞行器结构都是暴露在这逡逑些环境因素下的，如果采取基于基准信号比较的诊断策略，而没有消除环境影响，逡逑容易导致损伤误报或虚报，如图１．２。超声导波是通过激励端传感器产生导波信逡逑号，再由胶层作为能量传递介质使得导波在结构中传播，然后被接收端传感器接逡逑收。因此，需要从传感器－胶层－结构三者耦合角度，考虑单个环境因素或多个环逡逑境因素耦合作用下对超声导波传播特性的影响，明晰不同环境因素改变对导波传逡逑播特性影响的内在机理，才能从根本上解决环境因素对ＧＷＳＨＭ的影响。逡逑３逡逑

曲线,杨氏模量,铝板,超声导波

邋？５０逦２Ｘ）０逡逑ｌ．ｍ？，ｌ0Ｅ．７．）逡逑图１．２邋（ａ）不同温度对导波信号的影响；（ｂ）温度影响造成的损伤虚报％逡逑基于以上背景，本文拟重点研宄ＧＷＳＨＭ技术的环境补偿问题，，将从理论逡逑和试验两个角度来探宄单环境因素及多环境因素作用对超声导波传播特性的影逡逑响，通过分析超声导波信号特征的改变，找出超声导波传播特性随环境因素变化逡逑的规律，然后利用基于基准信号匹配的方法来补偿环境因素造成的影响，从而提逡逑高ＧＷＳＨＭ在损伤诊断方面的可靠性。逡逑１．２国内外研究现状及存在的问题逡逑１．２．１环境因素对超声导波的影响逡逑影响超声导波传播特性的环境因素包括温度、应力、压力、湿度，重点是考逡逑虑温度和应力的影响。本节综述了国内外关于环境因素对超声导波传播特性影响逡逑的研宄现状，并分析存在的问题。逡逑（１）温度对超声导波的影响逡逑温度是对超声导波传播影响最大的环境因素［１８，１９，２４，２＾２９］，能引起结构的几何逡逑特征（如长度、厚度）、物理特征（如模量、刚度、阻尼）的改变，以及材料特性变逡逑化导致的边界条件改变
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V267

【参考文献】