疲劳裂纹扩展的健康监测技术研究

论文摘要

结构健康监测技术是一门涉及多个学科的前沿研究领域,它同传统的无损检测技术相比具有能够实时、在线监测的优点。结构中许多局部损伤的初始状态都是以微裂纹形式表现出来的,监测出这些裂纹的产生及其扩展情况对于提高结构安全至关重要。裂纹监测已成为结构健康监测领域中研究的热点和难点。本文采用主动Lamb波技术对疲劳裂纹的产生和扩展进行了研究。研究内容主要分为以下几个方面:1.研究了疲劳裂纹的扩展过程;针对真实疲劳裂纹损伤特点,将结构健康监测技术在裂纹扩展监测方面的应用进行了理论研究。探讨了Lamb波的基本理论,得出Lamb波在结构中的传播特性。2.对压电元件的相关理论进行了介绍;详细研究了Lamb波激励方式,其中重点对循环激励与单次激励方式、双面激励与单面激励方式做了对比研究。3.建立了一套疲劳裂纹扩展的健康监测实验系统。硬件包括实验试件设计、疲劳加载设备的选择以及波形发生与数据采集系统的搭建。软件包括波形发生与数据采集系统的人机交换界面和后期监测信号处理程序的开发。4.运用主动Lamb波监测技术对单边和孔边两种形式的疲劳裂纹扩展情况进行了实验监测研究。提出将传感信号中S0模式的前半个波包能量作为疲劳裂纹损伤特征量,通过对比裂纹扩展过程中的损伤特征量与健康状态下的损伤特征量,得到每个裂纹扩展阶段损伤特征量的差值,通过实验分析得到该差值与裂纹长度之间的对应关系,从而揭示出Lamb波损伤特征量随裂纹扩展的变化规律。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 结构健康监测概述
• 1.2 结构健康监测的研究内容
• 1.3 结构健康监测的主要方法
• 1.4 结构健康监测的研究进展
• 1.5 裂纹监测的国内外研究现状
• 1.6 本文研究意义和内容
• 第二章 疲劳裂纹扩展的健康监测理论
• 2.1 疲劳裂纹
• 2.1.1 疲劳裂纹的形成
• 2.1.2 疲劳裂纹的分类
• 2.1.3 疲劳裂纹的扩展
• 2.2 裂纹监测原理
• 2.2.1 主动Lamb 波监测技术
• 2.2.2 声发射技术
• 2.3 Lamb 波的基本理论
• 2.3.1 Lamb 波的概念
• 2.3.2 Lamb 波的波速
• 2.3.3 Lamb 波的频散特性
• 2.3.4 Lamb 波的衰减
• 2.4 本章小节
• 第三章 Lamb 波激励方式的研究
• 3.1 压电特性
• 3.1.1 压电效应
• 3.1.2 压电材料
• 3.1.3 压电方程
• 3.1.4 主要性能
• 3.2 关于Lamb 波激励方式的研究
• 3.2.1 常用的Lamb 波激励方式
• 3.2.2 Lamb 波激励的间隔时间
• 3.2.3 边界反射对Lamb 波信号的影响
• 3.2.4 单面激励与双面激励
• 3.3 本章小节
• 第四章 疲劳裂纹扩展健康监测实验系统的研制及实验研究
• 4.1 疲劳裂纹扩展健康监测实验系统的研制
• 4.1.1 实验系统的整体设计
• 4.1.2 实验试件设计
• 4.1.3 疲劳加载设备的选择
• 4.1.4 波形发生与数据采集系统的硬件设计
• 4.1.5 波形发生与数据采集系统的软件设计
• 4.2 疲劳裂纹扩展健康监测的实验研究
• 4.2.1 裂纹扩展过程
• 4.2.2 损伤结构中的Lamb 波传感信号
• 4.2.3 裂纹对S0 模式Lamb 波的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 疲劳裂纹损伤特征参数的研究
• 5.1 疲劳裂纹损伤特征参数
• 0 波包的选取'>5.1.1 S₀波包的选取
• 0 波包的定义'>5.1.2 S₀波包的定义
• 5.1.3 损伤特征参数
• 5.2 损伤特征参数随疲劳裂纹扩展的变化情况
• 5.3 疲劳裂纹的扩展阶段
• 5.4 本章小结
• 第六章 监测参数对疲劳裂纹扩展健康监测的影响
• 6.1 Lamb 波激励信号的中心频率对裂纹监测灵敏度的影响
• 6.1.1 单边疲劳裂纹监测灵敏度随激励信号中心频率的变化情况
• 6.1.2 孔边疲劳裂纹监测灵敏度随激励信号中心频率的变化情况
• 6.2 压电片位置对裂纹扩展健康监测的影响
• 6.2.1 压电片位置对单边裂纹扩展区域的影响
• 6.2.2 压电片位置对单边裂纹监测灵敏度的影响
• 6.2.3 压电片与孔的相对位置对孔边裂纹监测的影响情况
• 6.3 监测环境对裂纹扩展健康监测的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 存在的问题及工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录