基于蘭姆波的薄壁結(jié)構損傷識別.pdf

1、結(jié)構損傷的產(chǎn)生及破壞往往是從早期小尺寸損傷逐漸發(fā)展而來，結(jié)構損傷的位置、大小及形狀的“擴展”直接關系著結(jié)構的安全及使用壽命。蘭姆波（Lamb Wave）作為一種特殊的彈性應力波，由于其具有傳播距離遠、能量衰減小、對損傷反應靈敏等特點，被廣泛應用于薄板或薄殼結(jié)構的損傷識別中?，F(xiàn)階段，基于蘭姆波的結(jié)構損傷識別研究主要是采用損傷指數(shù)來判斷結(jié)構“是否存在損傷”，或者采用基于超聲波成像的方法對“損傷定位”，但是針對結(jié)構早期小尺寸損傷、損傷形狀及大

2、小識別的研究較少，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的損傷成像定位算法存在損傷定位精度低、損傷成像區(qū)域遠遠大于真實的損傷區(qū)域且成像圖像中存在大量“偽損傷”等缺點。因此，本文主要對基于蘭姆波的結(jié)構損傷尺寸形狀識別及損傷成像定位識別方法進行系統(tǒng)地研究，采用理論研究、數(shù)值分析與實驗相結(jié)合的方法，重點解決結(jié)構早期小尺寸損傷及損傷形狀識別問題，并針對如何提高現(xiàn)有成像定位識別方法定位精度和效率開展研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)基于經(jīng)典的蘭姆波波動理論，

3、采用數(shù)值分析的方法研究了蘭姆波在結(jié)構中傳輸?shù)亩嗄B(tài)及頻散特性，基于調(diào)諧蘭姆波理論分析了利用壓電陶瓷激發(fā)單模態(tài)蘭姆波的條件，并確定了蘭姆波激發(fā)信號的選取原則。數(shù)值分析的結(jié)果表明:在一定的頻厚積范圍內(nèi)，僅存在So模態(tài)和Ao模態(tài)的蘭姆波，且So模態(tài)蘭姆波群速度比Ao模態(tài)的蘭姆波的群速度大得多，利用該特性可以有效地抑制其它模態(tài)蘭姆波并分離So模態(tài)和Ao模態(tài)的蘭姆波;當由壓電陶瓷來激發(fā)蘭姆波時，存在一系列的調(diào)諧頻率，可使So模態(tài)蘭姆波或Ao模態(tài)蘭

4、姆波應變?yōu)?，即結(jié)構中僅存在單一模態(tài)的蘭姆波。
　　(2)從能量的角度來研究金屬材料早期小尺寸損傷對超聲波能量衰減的影響，提出采用基于超聲波能量擴散機理來定量識別金屬結(jié)構小尺寸損傷。推導了含損傷單相均勻介質(zhì)內(nèi)超聲波能量擴散系數(shù)表達式，分析發(fā)現(xiàn)，對于圓形孔狀損傷，超聲波能量擴散系數(shù)與圓形損傷直徑的平方成反比，因此，當結(jié)構損傷較小時，結(jié)構損傷的微小變化即可引起超聲波能量擴散系數(shù)的明顯變化，利用該特性即可對結(jié)構早期微損傷進行識別。還設計

5、了實驗來研究蘭姆波頻散及多模態(tài)特性對超聲波能量擴散的影響，實驗結(jié)果表明，結(jié)構損傷會改變超聲波在結(jié)構中的能量傳輸，且當結(jié)構中僅存在單一模態(tài)蘭姆波時，超聲波能量擴散系數(shù)及耗散系數(shù)與結(jié)構損傷的直徑成單調(diào)下降或上升的關系，而當結(jié)構中同時存在多種模態(tài)蘭姆波時，由于各模態(tài)蘭姆波群速度不同，導致超聲波能量傳輸不同步，而造成圓孔損傷直徑與能量擴散系數(shù)及耗散系數(shù)并不嚴格成單調(diào)下降或上升關系，在利用超聲波能量擴散機理對結(jié)構小尺寸損傷進行識別時應合理選擇脈沖

6、信號的中心頻率來激發(fā)單一模態(tài)的蘭姆波。
　　(3)提出了一種混合時間延時疊加成像算法。該算法充分利用了傳感器所接收到的信號信息并同時采用橢圓定位和雙曲線定位方法來獲得結(jié)構的損傷圖像，引入邊界反射系數(shù)來抑制邊界反射波所產(chǎn)生的偽損傷信號，以此來提高結(jié)構損傷成像定位的精度。實驗結(jié)果表明混合時間延時疊加算法較傳統(tǒng)時間延時疊加算法更能準確地獲得結(jié)構損傷的位置，并極大地減小了偽損傷的數(shù)量。
　　(4)提出了一種時間延時邏輯“與”運算疊加

7、成像算法，采用邏輯“與”運算得到的損傷圖像可從根本上解決傳統(tǒng)成像算法在獲得損傷圖像的同時會不可避免地會引入偽損傷的缺點，該算法還采用基于局部最大值求信號包絡的方法來消除因希爾伯特變換法所帶來的時間偏移。鋁板實驗結(jié)果表明基于邏輯運算的時間延時疊加算法與傳統(tǒng)成像算法相比，可以有效抑制偽損傷，實現(xiàn)結(jié)構損傷的高精度定位。
　　(5)開展了基于蘭姆波的結(jié)構損傷形狀識別方法的研究，提出了一種針對板狀結(jié)構損傷形狀及尺寸識別新方法。該方法采用壓電