基于损伤因子关联规则的复合材料结构损伤评估方法研究

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在实际的生产环境中,为确保复合材料结构的健康与安全,针对其建立一套损伤监测系统至关重要。但为了使得损伤监测的结果更加精确、细节更加丰富,目前大多数针对复合材料结构的损伤监测方法需要获取和处理大量的相关数据,这样不仅使得损伤监测系统和方法更加复杂,也使得评估的时间更加漫长。然而如果在复合材料结构损伤初期不能及时对损伤情况进行及时监测,这将会使得损伤监测结果滞后与损伤的发展。针对这一问题,本文在有限激励条件下,采用分布式传感阵列以及主动Lamb波监测方法,通过分析临近监测通道损伤因子及其相互关联性,得出损伤因子关联规则,实现对损伤发生及扩展情况的评估和监测。本文主要研究了以下几方面的内容:(1)主要对结构健康监测技术的背景及其发展历程进行了介绍,对目前国内外基于Lamb波的复合材料损伤监测技术的发展情况进行了调查,介绍了Lamb波的频散特性及其传播过程中的影响因素等Lamb波的基本理论。除此之外,还对压电效应进行了介绍,阐述了基于压电片的Lamb波激励与传感原理。(2)介绍了基于压电传感的Lamb波损伤监测原理,列举了脉冲回波法、一发一收法以及相控阵法这三种基本的损伤监测方法,并分析了这些方法各自的优势以及不足。根据不同的信号处理域,论述了三类信号处理的方法:时域分析法、频域分析法以及时频域分析法,并分析了这些方法各自的优缺点。(3)在之前的研究基础上,对损伤作用Lamb波响应的机理进行了分析。为在复合材料结构损伤初期实现对损伤的快速评估,设计了中心激励,四周接收的损伤监测方式,并提出了基于数据集交叉进行相关性分析的信号处理方法。设计了损伤因子关联规则,实现结构件上相邻监测通道内损伤信息的关联。同时在玻璃纤维环氧树脂复合板上完成了实验验证,实验表明该方法可以通过由点到线再到面的方式,抓住损伤的宏观特征,从而实现对结构件损伤的快速评估。(4)围绕高压电场以及粉尘环境下无法在结构件的核心功能区进行Lamb波激励的问题,设计了装配角耦合激励的激励方式,利用波动量滤除法对损伤前后响应信号幅值变化量进行处理,从而完成对响应信号中损伤信息的稳定提取。除此之外,针对传感器阵列,设计了损伤因子关联规则,从而实现对所有监测通道内损伤信息的整合。并最终在玻璃纤维环氧树脂复合板上进行了实验验证,实验表明该方法能够稳定可靠地完成对复合材料结构件的损伤监测。
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