【摘 要】
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金属薄板结构广泛应用于航空航天、海洋运输等工程领域。然而,这些金属薄板在服役过程中产生的缺陷损伤一旦扩展,极易造成结构的安全可靠性下降,带来整体结构性失效甚至灾难性后果。因此,建立结构健康监测系统来保证和预测金属薄板结构的安全性和可靠性具有极其重要的实际意义。本文以金属薄铝板为研究对象;以功能型压电陶瓷（PZT）为信号传感器,结合Lamb波的传播特性作为损伤信息的载体,通过理论分析、仿真模拟及实验
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金属薄板结构广泛应用于航空航天、海洋运输等工程领域。然而,这些金属薄板在服役过程中产生的缺陷损伤一旦扩展,极易造成结构的安全可靠性下降,带来整体结构性失效甚至灾难性后果。因此,建立结构健康监测系统来保证和预测金属薄板结构的安全性和可靠性具有极其重要的实际意义。本文以金属薄铝板为研究对象;以功能型压电陶瓷（PZT）为信号传感器,结合Lamb波的传播特性作为损伤信息的载体,通过理论分析、仿真模拟及实验验证相结合的方法,采用基于压电阵列及四点圆弧定位法的Lamb波薄板结构损伤定位进行了研究。主要研究工作包含以下几个方面:首先,介绍了Lamb波的传播特性及基础理论。基于弹性力学理论,推导出超声Lamb波的频散方程并进行了区间讨论,利用MATLAB完成对铝板频散曲线图的数值计算及绘制,并基于频散曲线图分析了Lamb波的频散特性和多模特性。其次,阐述了压电材料的相关特性及性能参数,简述了采用压电陶瓷PZT作为信号传感器的原因。使用ANSYS对PZT进行了十阶模态分析,结合不同频率下的模态振型讨论了PZT达到最佳工作状态下的激发频率,并对其在不同加窗函数、周期数的信号激励下的结果分别进行比较分析,得出最为合适的激励信号参数及压电陶瓷阵列布置。然后,提出了基于时间反转理论结合四点圆弧法的Lamb波损伤定位方法,在很大程度上减少了传统差信号法中环境因素对损伤定位的不利影响。在此理论上,利用有限元软件ABAQUS建立有损的三维铝板模型进行仿真分析研究,完成在铝板中Lamb波传播及损伤信息提取的过程,实现了对铝板损伤位置的定位,为实验研究奠定基础。最后,搭建了基于压电陶瓷阵列的超声Lamb波多通道数据采集实验平台。33250A任意函数发生器实现激励信号的输出,PXI-5105实现高速连续的数据采集,采用同步单激励多接收的实验方案,对薄铝板中的人工钻孔损伤进行定位实验研究。通过离线对实验数据的处理与分析,完成了对金属薄板结构损伤位置的精准定位。
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