薄金属板微裂纹损伤模拟及损伤特征提取方法

发布时间：2020-04-15 17:16

【摘要】：随着科学技术的不断发展进步,对板状结构在不同工程领域中的应用要求也越来越高,由于工程结构在使用过程中受到荷载的长期作用、高速和高温作用以及环境腐蚀等因素的影响,易产生疲劳导致结构强度降低和损伤累积,其中板状材料非常易发裂纹损伤。建立健全安全的预警系统,及时发现及时预警,能在裂纹发生的初始,采取应对措施是近年来国内外工程界、学术界十分关注的热点问题。论文的主要研究内容和创新点如下。针对薄金属板微裂纹损伤识别的问题,利用PZT与薄金属板耦合建立超声Lamb波激励/接收的有限元数值模型。模型选用PZT晶片粘贴于金属板表面作为驱动器和传感器,驱动器产生超声导波在损伤结构中传播,传感器接收损伤散射回波信号。分析传播过程中能量衰减、反射、透射和模态转换等变化特征,通过对接收的响应信号进行分析和提取损伤特征,开展结构的微裂纹损伤识别研究,以实现对结构健康状况的有效监测。通过数值模拟研究得到无损伤的金属板和存在微小裂纹损伤的金属板所接收到的Lamb波信号,应用小波包提取信号方法的时频局部化特点,提取分析各频段信息。首先通过小波包分解方法,提取小波包树底层各个节点的特征值;进而得到导波信号能量谱;最后分析薄金属板各裂纹损伤能量谱相较于无损薄金属板能量谱的分布及其幅值变化,并运用统计方法总结规律。研究结果表明:在小波包分解结果的各节点能量谱变化值中,显著节点能量谱变化值能表征损伤长度,损伤长度越大,显著节点能量谱变化值越大;而显著节点数量的多少能表征损伤宽度,损伤宽度越大,显著节点数量越多。所以,显著节点能量谱变化值与模拟模型的几何数据相结合,能够定位损伤位置。薄金属板微小裂纹边界变化与裂纹损伤模型总能量谱变化值存在线性相关性,据此可对薄金属板微裂纹损伤的损伤程度进行预测与评估。基于数值模拟建立相应的数据库将对工程实际的薄金属板微裂纹损伤检测提供有效检测参考。
【图文】：

江苏大学硕士学位论文第二章 压电薄金属板结构的多场分析板理论本概念途十分广泛，研究者指出，板是一种在某一方向上的尺寸远小于尺寸的结构[4, 8]。根据板的厚与中面最小边长之比把板分为三类中面最小边长之比大于 1/5 的板；薄膜是板厚与中面最小边长之板；薄板是板厚与中面最小边长之比在 1/5 到 1/80 之间的板，板示。

图 2.2 Lamb 波在薄板中传播示意图Fig.2.2 Lamb wave propagation in thin plates超声导波在各向同性金属板中传播时的波动方程可以表示为[4]（2.2.13）：22ijt uF （2.2.13）其中， 是应力张量， 是材料密度，u是位移张量，F 是薄板单位体积内的体力， 是梯度算符，在直角坐标系中，Tx y z 。超声导波传入 PZT 后，由 PZT 与薄金属板的力电耦合公式，将薄金属板位移场{ } { }Tiju u v w （公式 2.3.3）公式以及边界条件（z=±h 为自由表面）带入公式 2.2.13，，结合正逆压电方程（公式 2.2.11 和公式 2.2.3），再利用哈密顿分
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG115.28

【参考文献】

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本文编号：2628787