基于谱元法的导波传播机理及结构损伤识别研究

发布时间：2020-08-15 22:59

【摘要】：重大工程项目如航空航天、机械以及土木工程结构中损伤的存在会影响结构的正常运行，甚至引起灾难性的后果。结构健康监测技术能提供有关结构健康状况的实时信息，近年来成为工程界和学术界研究的一个热点。基于导波的结构健康监测技术是通过埋入结构或者粘贴在结构表面的作动器和传感器激励并接收结构中的导波信号并进行分析，从而对结构的健康状况进行判断。因此对结构中导波的传播机理以及波与损伤作用规律的了解是基于导波的结构健康监测技术研究的基础。 本文系统地把谱元法应用于结构健康监测领域，建立了结构的谱元法模型、压电晶片-结构耦合模型以及损伤模型，对金属材料以及多层碳纤维复合材料结构中导波的传播机理、波的激励与接收以及波与损伤的作用规律进行研究，并提出了一种基于环形压电阵列的板结构损伤图像定量化重建方法。 论文首先概述了基于导波的结构健康监测技术国内外研究现状，介绍了结构中导波传播机理的分析方法，并分析了它们的优缺点，总结了波与不同结构中不同形式损伤的作用及压电晶片与结构耦合的研究方法，介绍了导波信号处理技术和基于导波的损伤识别方法。 以三维谱单元的形成过程为例建立了模拟结构中导波传播的谱元法模型，并根据谱元法在结构健康监测领域的应用特点，建立了压电晶片-结构耦合模型，分析了算法稳定性和计算效率等问题，介绍了相关的计算过程。对本文中所涉及到的实验系统进行介绍，并对相关激励参数进行了分析。 建立了各向同性梁结构的二维谱元法模型和压电晶片-结构耦合模型，研究了结构中Lamb波的频散关系；通过单点激励力模型对比，研究了在施加电压条件下结构中Lamb波的传播规律；基于压电晶片模型分析了Lamb波的模式选择、波的幅值随激励频率的变化关系等问题；通过实验采集和谱元法模型计算得到的Lamb波信号对铝合金梁结构中损伤进行了估计。 发展了模拟结构中导波传播的三维谱元法模型，并建立了压电晶片-结构耦合模型，对铝合金板结构中Lamb波的传播机理进行了研究。基于压电晶片模型研究了在施加电压激励条件下板结构中Lamb波的传播规律。采用减小结构单元刚度的方法模拟结构中的损伤，研究了Lamb波与损伤的作用规律。最后通过实验对得到的结论进行了验证。最终结果证明，同二维谱元法模型相比，三维谱元法模型能更真实地对结构中导波的激励与接收以及波的传播进行模拟。 揭示了横截面尺寸较大的三维厚梁中导波的传播机理，提出了对此类结构中的损伤进行识别时频率选择原则。对不同激励频率下不同厚度梁结构中导波传播规律的研究发现，当结构中剪切波的波长约大于梁厚度的二倍时，由于导波的波长和梁的厚度相近引起的局部对称模式受到抑制，导波沿着梁的长度方向传播，这时结构中的导波可以被认为是Lamb波。因此对此类梁结构中的损伤进行识别时，可根据这一原则选择合适的激励频率，得到简单的导波模式。通过节点分离法对结构中的横向裂纹进行了模拟，分析了导波与损伤的作用规律。最后通过实验对得到的结论进行了验证。 基于所建立的多层碳纤维复合材料梁结构的二维谱元法模型，揭示了Lamb波在结构中的传播机理以及与分层损伤作用规律。分别对基础阶对称模式(S0)和反对称模式(A0)与分层损伤的作用过程进行了分析。结果表明，当分层损伤存在时，波的反射主要发生在分层损伤的远端；A0模式对位于任何层间界面上的分层损伤都比较敏感，相对S0模式更适合对结构中分层损伤的识别，特别是分层损伤位于对称中面时；反射系数和透射系数是分层损伤长度与波长比值的函数，表现为波状曲线；提出了一种对碳纤维复合材料梁结构中分层损伤进行定量化识别的方法，并通过实验进行了验证。 发展了多层碳纤维复合材料板结构精确的三维谱元法模型，揭示了板中Lamb波的传播机理及与分层损伤作用规律。对三种类型的碳纤维复合材料板即单向板[08]，对称正交板[02/902]s和准各向同性板[+45/-45/0/90]s中Lamb波的传播机理进行了分析。分析结果表明，多层碳纤维复合材料板中的导波，即使是基础阶模式即对称模式(S0)、反对称模式(A0)和水平剪切模式(SH0)，其传播特性也较为复杂。对Lamb波与碳纤维复合材料板中分层损伤的作用规律进行了分析，结果表明在相同的激励频率下反对称模式比对称模式对损伤更为敏感；分层损伤对透射信号的影响较大。 考虑板内传播的Lamb波幅值与其传播距离的关系，提出了一种基于环形压电阵列的定量化损伤图像重建方法，并通过实验中环形压电阵列各传感单元采集得到的信号对板中损伤图像进行重建，分析了不同距离和损伤程度的损伤对压电阵列总响应幅值极大值的影响，从而证明所提出的方法可以对板结构中损伤位置和损伤程度进行定量化地估计。 本文的结论对不同形式和材料的结构中导波传播机理、导波与结构中损伤作用规律以及结构健康监测方法的研究具有重要的参考价值。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH165.3
【图文】：

第 1 页图 1-1 2003 年哥伦比亚号航天飞机失事Fig. 1-1 The Space Shuttle Columbia accident in 2003

第 7 页图 1-4 用于模拟地球中地震波传播的谱元法模型[62]Fig. 1-4 Global Seismology based on the spectral element method

实验系统(1)组成：(a)结构简图；(b)现场照片

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本文编号：2794782