匹配追踪方法在结构健康监测中的应用研究

论文摘要

结构健康监测系统可以为航空航天结构的安全运行提供切实的保障,而基于Lamb波的损伤监测方法是结构健康监测研究中的热点领域。本文基于Lamb波与结构中损伤的相互作用,将自适应信号处理方法——匹配追踪方法应用于基于Lamb波的损伤监测方法中,通过提取Lamb波信号包含的模态、损伤等信息,确定损伤位置。本文首先深入研究了Lamb波在板中传播的多模态和弥散等特性,通过有限元方法对Lamb波在含损伤板结构中的传播问题进行了模拟,并研究了压电陶瓷片的力电耦合效应以及激励和感应Lamb波的应变模型;然后详细介绍了匹配追踪方法,针对Lamb波监测方法的特点,提出了字典库为Chirplet原子的匹配追踪方法的快速实现方案,对Lamb波信号进行快速分解,提取相关的特征信息,并证明Chirplet原子能准确地匹配受弥散效应影响发生失真变形的窄带脉冲信号;提出了一种基于Lamb波和匹配追踪方法的损伤识别方法,通过有限元仿真的结果加以验证,仿真结果表明匹配追踪方法能有效地识别出Lamb波的模态,准确地提取出Lamb波中包含的损伤信息,实现对损伤进行精确定位,通过实验方法加以验证,实验结果表明匹配追踪方法能有效地分辨出多损伤的散射信号,精确地定位损伤;最后将该监测方法应用于蜂窝夹层碳纤维复合材料结构的冲击损伤识别中,分别采用椭圆定位技术和损伤成像技术定位冲击损伤位置。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 基于非振动的损伤检测方法
• 1.3 基于振动的损伤检测方法
• 1.3.1 模态法
• 1.3.2 机电阻抗法
• 1.3.3 超声检测
• 1.3.4 声发射检测方法
• 1.3.5 基于Lamb 波的主动监测方法
• 1.4 信号处理方法
• 1.5 本文主要内容
• 第二章 应力波在结构中的传播特性研究
• 2.1 弹性波理论介绍
• 2.1.1 弹性动力学与应力波基础
• 2.1.2 波的弥散特性
• 2.1.3 波的群速度、相速度
• 2.2 LAMB 波的基本理论
• 2.2.1 Lamb 的对称模态
• 2.2.2 Lamb 波的反对称模式
• 2.3 LAMB 波的建模
• 2.4 LAMB 波的激励与感应
• 2.4.1 压电陶瓷材料
• 2.4.2 压电陶瓷材料作为激励器
• 2.4.3 压电陶瓷材料作为传感器
• 2.5 应力波传播的数值模拟
• 2.5.1 计算模型
• 2.5.2 求解方法
• 2.5.3 激励信号
• 2.5.4 仿真结果
• 第三章 结构健康监测中的信号处理方法
• 3.1 现有时频分析方法介绍
• 3.1.1 短时傅里叶变换
• 3.1.2 魏格纳-威利分布
• 3.1.3 小波变换
• 3.2 匹配追踪方法
• 3.3 匹配追踪方法在基于应力波监测中的实现
• 3.3.1 基函数的选择
• 3.3.2 内积的快速算法
• 3.3.3 MP 方法的实现方案
• 3.4 弥散脉冲信号的CHIRPLET 原子匹配
• 3.4.1 导波传播的预测
• 3.4.2 基于弥散效应的chirplet 原子
• 3.5 MP 方法有效性的验证
• 第四章 基于LAMB 波和MP 方法的损伤识别研究
• 4.1 损伤定位方法
• 4.2 仿真验证
• 4.2.1 单损伤结构的损伤定位
• 4.2.2 多损伤结构的损伤定位
• 4.3 实验系统
• 4.3.1 硬件系统
• 4.3.2 软件系统
• 4.3.3 实验试件
• 4.4 实验验证
• 4.5 椭圆定位法
• 第五章 蜂窝夹层复合材料结构损伤监测实验
• 5.1 实验件以及实验装置
• 5.2 应力波传播速度的确定
• 5.3 冲击损伤的定位研究
• 5.3.1 基于椭圆技术的损伤定位法
• 5.3.2 基于损伤成像的损伤定位方法
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文