基于主动Lamb波的复合材料层合板冲击损伤识别研究

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在过去的二十年间,结构健康监测技术(SHM)因其在薄板结构中优于传统的无损检测技术,而获得了学术界的广泛关注。在不同研究方法中,基于Lamb波的方法有很多优点而被广泛应用。压电陶瓷传感器被用来在薄板结构中激励和探测Lamb波,通过激励和探测经结构不同部位反射回的Lamb波,我们可以判断损伤的位置和程度。复合材料层合板被大量应用于航空航天领域,但在其服役过程中常经受冲击载荷。所以,针对复合材料层合板冲击损伤的结构损伤识别研究是十分有意义的。本文的主要研究内容包括:首先对Lamb波的基本特性进行了详细的阐述,从构建各向同性体中弹性波的运动方程入手,代入板的边界条件,得到了各向同性材料板中Lamb波的频散方程,以及相速度与群速度的关系,以铝板和钢板为例绘制了频散曲线。推导了截止频率的表达形式,指出了其应用意义。根据分波理论,推导了各向异性材料层中,Lamb波的频散方程。这些工作为后面的研究打下了基础,提供了理论依据。接着详细地介绍了Lamb波在复合材料层合板中传播行为有限元模拟的相关内容。首先介绍了显式动态算法,接着对传感器和损伤的模型建立分别进行了说明和相关理论阐述,然后给出了有限元仿真的具体过程以及相关参数设置的解释,最后简单分析了有限元仿真结果。总的来说,完整的提供了一套关于含冲击损伤复合材料层合板中Lamb波传播行为有限元仿真的方法。最后针对第三章有限元仿真所得结果,进行了简单的信号处理及损伤位置识别。利用典型频域法快速傅里叶变换及时频法小波变换进行了信号处理,比较了不同频率下Lamb波的传播特性,定性地判断了损伤的存在性,并且对比了时频法与频域法的优缺点。之后基于Lamb波信号的飞行时间,利用椭圆定位法对损伤位置进行了粗略的识别,考虑到算法中的近似,误差范围可以接受。同时也侧面地证明了前面所用建模仿真方法的正确性和有效性。
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