航空结构中基于MUSIC算法的健康监测

发布时间：2020-07-21 23:44

【摘要】：多重信号分类(Multiple signal classification,MUSIC)算法采用密集阵传感器布置,具有易于布置在复杂航空结构上、方向扫描和多信号源监测的优点,近年来逐渐被引入至基于Lamb波的结构健康监测领域内。但将MUSIC算法应用至复杂航空复合材料结构的冲击/损伤定位和复杂航空金属结构的腐蚀损伤监测中依然存在许多问题。本文面对复杂航空结构中基于MUSIC算法的健康监测方法应用与优化开展了深入研究,主要工作及创新点如下:(1)针对MUSIC算法定位精度依赖于Lamb波相速度精度的特点,首先使用单频信号提取方法从宽带冲击响应信号中提取单频信号并测量Lamb波相速度。其次,针对真实复合材料航空结构的严重各向异性,提出了基于单频重估计的MUSIC冲击定位方法,建立了相速度自适应机制重估计空间谱以获取冲击源准确的角度和距离,减少了航空结构的严重各向异性对MUSIC算法定位性能的影响,提高了冲击定位方法的精度和可靠性。(2)针对真实腐蚀损伤散射信号微弱而导致MUSIC损伤定位精度低的问题,首先将激励波束成型和双阵列引入到MUSIC方法中,提出了波束成型与MUSIC空间谱的联合搜索方法,增强腐蚀损伤的散射信号和提高其信噪比,提高了腐蚀损伤定位的精度。(3)针对一维线型阵列的角度盲区问题,提出了基于加权图像融合的MUSIC方法,将双阵列轮流作为激励或传感阵列,通过加权融合双阵列的腐蚀损伤成像,实现了一维线型阵列盲区内的腐蚀损伤监测。提出了基于阵列信号协方差矩阵特征值的腐蚀损伤因子,用以判别腐蚀损伤深度。方法扩大了传统一维线型阵列的监测区域,实现了腐蚀损伤深度的评估。(4)针对航空结构各向异性、传感器阵列阵元位置误差以及波包混叠等造成的压电传感器阵列相位误差从而导致MUSIC算法的定位精度下降的问题,提出了基于自适应暰值法测量相位误差的全方位阵列误差校正MUSIC方法,提高了 MUSIC损伤定位方法在真实复杂航空结构上的定位精度和可靠性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V267;V214;TN911.23
【图文】：

并指导决策维护方案，从而保障飞行器的安全性，提高飞行器的使用效率以及降护费用。航空结构健康监测技术通过在航空结构上布置传感器网络能够实时监测对于提高飞行器服役的安全性和降低维护费用具有重要的研究意义和应用价值Ｍ结构健康监测的概念逡逑构健康监测＿邋（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｈｅａｌｔｈ邋ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，邋ＳＨＭ）技术采用智能材料}P构的概念，络将驱动元件和传感元件集成在结构中，实时在线地采集传感器信号，结合先进法，提取相应的信号特征参数，对结构状态进行评估甚至对结构损伤的位置和尺监测结构损伤的扩展趋势并预测损伤结构的使用寿命，从而提离航空结构的飞行安据监测原理和监测对象的不同，常见的航空结构健康监测系统可分为被动式监测两种，对应的原理如图Ｕ所示＾在被动式监测时，布；ａ在航空}P构上的传感器载荷发生在结构上引发的弹性波，采用一隹的信号处理算法评估冲击载荷的位置式监测时，航空￣结构上布置有驱动器和传感器网络。该技术利用驱动器向航空结信号，采集传感器接受的响应信号ｉ^~结构产生损伤时，传感器接受．的结构响应，通过提取特征参数分析响应信号的变化，从而实现结构损伤的监测。逡逑楩动器逡逑

航空结构健康监测系统一敢■由３部分组成，包括集成在航空结构上的传感器网络、信号调逡逑理采集系统以及信号处理算法组成ｐ，４］。ｕ般常见的传感器包括压电片、光纤传感器、应变片逡逑等［５凡如图１．２所系。这些集成在飞行器结构上的传感器网络可对飞行栜结构的损伤〈包括分逡逑层与脱层、疲劳裂纹以及腐蚀等）进行主动监测，也可Ｍ时对结构应变、气动压力以及外部冲逡逑１廔进行被动监测。逡逑＾逦ｋ逦１逦（逦．逦光纤邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｆｉｂｅｒ邋（逦、逡逑ｊ逦■逦灥，逦被动传感：逡逑－ｊ邋＾邋ｔ邋１逦＾逦－ｉ逡逑／－邋？逦．＿ｍ＆．逡逑ｉｆ，Ｌ．．．ｊ邋１逦Ｊ＃｜逦＿逦１１逡逑鼍逦应变片邋Ｓｔｒａｉｎ邋Ｇａｕｇｅ邋逦逡逑Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑图１．２结构健康监测系统的监测对象逡逑１．１．２航空结构健康监测的研究现状逡逑与金属材料相比，复合材料由宁比重小、比强虔裔、比j董大并具有可设计性，因此逐步逡逑痛－甩于航空航天领域＞１２］。如复合材料在空客Ａ３５０ＸＷＢ中所占的比＿高达５２％，如图１．３所逡逑示。但复合材料结构在使用过程中容易受到低速冲击而造成结构内部损伤［１３，１火这些内部损伤逡逑不仅使得结构强度大幅度下降且常规检测方法无法检测出来，使得结构存在严重的安全隐患。逡逑Ａ３５０邋：５２％逦—＿＊＊＂？逦、逡逑波音邋７８７：５０％

航空结构健康监测系统一敢■由３部分组成，包括集成在航空结构上的传感器网络、信号调逡逑理采集系统以及信号处理算法组成ｐ，４］。ｕ般常见的传感器包括压电片、光纤传感器、应变片逡逑等［５凡如图１．２所系。这些集成在飞行器结构上的传感器网络可对飞行栜结构的损伤〈包括分逡逑层与脱层、疲劳裂纹以及腐蚀等）进行主动监测，也可Ｍ时对结构应变、气动压力以及外部冲逡逑１廔进行被动监测。逡逑＾逦ｋ逦１逦（逦．逦光纤邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｆｉｂｅｒ邋（逦、逡逑ｊ逦■逦灥，逦被动传感：逡逑－ｊ邋＾邋ｔ邋１逦＾逦－ｉ逡逑／－邋？逦．＿ｍ＆．逡逑ｉｆ，Ｌ．．．ｊ邋１逦Ｊ＃｜逦＿逦１１逡逑鼍逦应变片邋Ｓｔｒａｉｎ邋Ｇａｕｇｅ邋逦逡逑Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑图１．２结构健康监测系统的监测对象逡逑１．１．２航空结构健康监测的研究现状逡逑与金属材料相比，复合材料由宁比重小、比强虔裔、比j董大并具有可设计性，因此逐步逡逑痛－甩于航空航天领域＞１２］。如复合材料在空客Ａ３５０ＸＷＢ中所占的比＿高达５２％，如图１．３所逡逑示。但复合材料结构在使用过程中容易受到低速冲击而造成结构内部损伤［１３，１火这些内部损伤逡逑不仅使得结构强度大幅度下降且常规检测方法无法检测出来，使得结构存在严重的安全隐患。逡逑Ａ３５０邋：５２％逦—＿＊＊＂？逦、逡逑波音邋７８７：５０％

【参考文献】

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本文编号：2764991