基于空间—波数滤波器的结构健康监测成像方法研究

发布时间：2017-08-18 14:17

  本文关键词：基于空间—波数滤波器的结构健康监测成像方法研究

  更多相关文章： 结构健康监测 复合材料 Lamb波 压电传感器阵列 损伤成像 冲击成像 空间-波数滤波器

【摘要】：随着航空科学技术的迅猛发展,飞机的安全性和经济性问题日益突出。航空结构健康监测技术被视为保障新材料大量应用、提高飞机安全性、降低飞机维护费用的关键技术,受到了广泛研究。本文重点研究了一种基于压电传感器阵列和Lamb波的空间-波数滤波器成像方法,实现了航空结构的损伤/冲击主被动监测,为航空结构健康监测提供了一种新的技术手段。本文的研究工作主要包括以下几个方面:(1)针对空间-波数滤波器损伤成像方法存在的近场和角度监测盲区问题,提出了基于近场优化和十字阵的成像方法,实现了全方位损伤成像。并根据十字阵的角度盲区优化思想,提出了基于损伤角度叠加融合的全方位无波速成像方法,在解决近场和角度盲区的同时,实现了不依赖于Lamb波波速的成像。在航空玻璃纤维环氧树脂复合材料层合板中对两种方法进行了实验验证。(2)针对空间-波数滤波器损伤成像方法依赖于Lamb波波数的问题,研究了一种空间-波数滤波器的波数搜索匹配构建方法,提出了基于十字阵和波数搜索匹配空间-波数滤波器相结合的损伤成像方法,实现了不依赖于Lamb波波数的全方位损伤成像。在航空铝板和碳纤维复合材料层合板中分别对波数搜索匹配空间-波数滤波器和损伤成像方法进行了实验研究,研究结果表明该方法可以在无法准确获取Lamb波波数的情况下实现全方位损伤成像,并且受阵元位置误差的影响较小。(3)针对空间-波数滤波器损伤成像方法难以对结构冲击进行成像的问题,研究了冲击窄带信号的提取方法和冲击距离估计方法,提出了基于十字阵和波数搜索匹配空间-波数滤波器相结合的冲击成像方法,将空间-波数滤波器成像方法推广到了结构的冲击监测中,并在碳纤维复合材料层合板中进行了实验研究,研究结果表明该方法可以在无法准确获取Lamb波波数的情况下实现冲击成像,并且不存在角度盲区。(4)在真实航空油箱结构的变厚度复合材料面板中对本文研究的空间-波数滤波器成像方法进行了实验验证,结果显示该方法的角度判别误差不大于2°,损伤定位误差不大于2 cm,冲击定位误差不大于3.2 cm。
【关键词】：结构健康监测 复合材料 Lamb波 压电传感器阵列 损伤成像 冲击成像 空间-波数滤波器
【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】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 注释表16-17
• 第一章 绪论17-32
• 1.1 研究背景及意义17-20
• 1.2 基于Lamb波的结构健康监测成像方法20-25
• 1.3 空间-波数滤波器及其损伤成像方法25-29
• 1.4 本文的研究目的、内容及安排29-32
• 第二章 空间-波数滤波器的基本原理及特性分析32-57
• 2.1 Lamb波传播的波数模型32-37
• 2.2 空间-波数滤波器的基本原理37-41
• 2.2.1 Lamb波空间采样37-39
• 2.2.2 空间-波数滤波器39-41
• 2.3 基于空间-波数滤波器的损伤成像41-46
• 2.3.1 求取信号波数42-44
• 2.3.2 构建解析信号44-46
• 2.3.3 估计损伤距离46
• 2.4 空间-波数滤波器的基本特性46-50
• 2.4.1 近场盲区分析46-48
• 2.4.2 角度盲区分析48-49
• 2.4.3 冲击监测分析49-50
• 2.5 空间-波数滤波器的盲区特性实验研究50-56
• 2.5.1 实验设置50-51
• 2.5.2 近场盲区实验结果51-54
• 2.5.3 角度盲区实验结果54-56
• 2.6 本章小结56-57
• 第三章 基于空间-波数滤波器的全方位成像方法57-78
• 3.1 基于近场优化和十字阵的全方位成像方法57-62
• 3.1.1 近场盲区优化57-58
• 3.1.2 角度盲区优化58-60
• 3.1.3 全方位损伤成像60-62
• 3.2 全方位损伤成像方法的实验验证62-67
• 3.2.1 实验设置62-63
• 3.2.2 波速测量63-64
• 3.2.3 实验结果64-67
• 3.3 基于损伤角度叠加融合的全方位无波速成像方法67-71
• 3.3.1 损伤角度图像获取68-69
• 3.3.2 全方位无波速损伤成像69-70
• 3.3.3 方法的实施流程70-71
• 3.4 全方位无波速损伤成像方法的实验验证71-76
• 3.4.1 实验设置71-73
• 3.4.2 实验结果73-76
• 3.5 本章小结76-78
• 第四章 空间-波数滤波器的波数搜索匹配构建方法78-89
• 4.1 方法的基本原理78-80
• 4.2 方法的实施流程80-82
• 4.3 方法的实验验证82-86
• 4.3.1 实验设置82-83
• 4.3.2 参考波数83-84
• 4.3.3 实验结果84-86
• 4.4 方法的特性研究86-88
• 4.4.1 阵元数目的影响86-87
• 4.4.2 阵元间距的影响87-88
• 4.5 本章小结88-89
• 第五章 结构损伤的波数搜索匹配空间-波数滤波器成像方法89-100
• 5.1 损伤成像方法的基本原理89-91
• 5.1.1 损伤角度估计90-91
• 5.1.2 损伤距离估计91
• 5.2 损伤成像方法的实施流程91-93
• 5.3 损伤成像方法的实验验证93-99
• 5.3.1 实验设置93-95
• 5.3.2 损伤成像及阵元位置影响分析95-99
• 5.4 本章小结99-100
• 第六章 结构冲击的波数搜索匹配空间-波数滤波器成像方法100-114
• 6.1 冲击成像方法的基本原理100-106
• 6.1.1 冲击窄带信号提取100-105
• 6.1.2 冲击距离估计方法105-106
• 6.2 冲击成像方法的实施流程106-107
• 6.3 冲击成像方法的实验验证107-113
• 6.3.1 实验设置107-108
• 6.3.2 冲击成像108-113
• 6.4 本章小结113-114
• 第七章 空间-波数滤波器成像方法在航空结构中的验证114-126
• 7.1 验证装置114-117
• 7.2 信号波速测量117-118
• 7.3 损伤成像结果118-121
• 7.4 冲击成像结果121-125
• 7.5 本章小结125-126
• 第八章 总结与展望126-128
• 8.1 本文主要工作总结126-127
• 8.2 下一步研究展望127-128
• 参考文献128-139
• 致谢139-141
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文141-142

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本文编号：695028