基于改进空间滤波器的复合材料结构损伤成像方法

为降低Lamb波在复合材料结构中传播时存在的频散现象和各方向传播特性的不一致性给损伤监测带来的困难, 提出一种利用Hilbert变换改进的空间滤波器对复合材料结构损伤进行成像的方法。分析了基于空间滤波器的信号合成成像原理, 在此基础上利用Hilbert变换构造传感器时域响应信号的解析信号参与到信号合成成像过程中。通过对仿真声源的成像实验, 验证了该方法的可行性, 通过对碳纤维复合材料板结构上激励源和损伤的成像实验, 验证了该方法的功能。研究表明该方法能够识别损伤相对于压电传感器阵列的角度位置和损伤散射信号的到达时刻。      

基于Shannon 复数小波的复合材料结构时间反转聚焦多损伤成像方法

研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb 波的结构损伤成像方法,有助于克服Lamb 波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理,在此基础上提出了一种基于Shannon 复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中,确定Lamb 波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon 复数小波变换计算Lamb 波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明,该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm ×30 cm 的监测区域,定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。      

板状结构中基于Lamb波单模态的缺陷成像试验研究

Lamb波技术非常适于板类结构的各种缺陷检测。为了得到模态较为单一的Lamb波,使得接收信号更具有解释性,缺陷更容易识别,该文中在板上下表面的相同位置分别布置压电传感器阵列,采用同一位置上下表面的双压电片同相或反相激励,激励出单一S₀或A₀模态。运用这种单模态的Lamb波激励方式对板中缺陷进行检测,结合椭圆成像算法与数据融合方法对压电传感器阵列接收到的多组信号进行缺陷成像。该方法有效的实现了板中缺陷的二维成像定位,检测出人工缺陷,并提高了缺陷的可识别能力和定位精度。     

强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法

Lamb波因其检测范围广、对缺陷敏感性高等特点在复合材料无损检测中广泛应用。但强噪声环境给有效信号的提取带来难度,影响损伤位置判定精度。针对该问题,提出了一种在强噪声背景下基于计盒维数和Lamb波层析成像技术的损伤定位成像方法。首先通过仿真分析了Lamb波在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板损伤前后传播的特性。在选定的复合材料板上均匀布置圆形传感器阵列,以粘结质量块改变结构局部刚度的形式模拟真实损伤;其次每个传感器依次作为激励器产生Lamb波,其他传感器采集有无损伤下的响应信号,采用小波变换进行信号去噪。将去噪后的信号添加不同等级的白噪声实现噪声干扰;最后采用计盒维数计算有无损伤的信号差异确定损伤因子,并通过概率成像算法实现损伤的定位成像。实验结果表明,在强噪声环境中单损伤与多损伤成像定位最大和平均误差分别为11.18 mm和6.88 mm,该方法无需信号降噪技术,且避免了多损伤时复杂反射信号的提取过程,在强噪声下复合材料损伤定位识别方面具有较大的潜力。     

基于概率成像的复合材料加筋壁板冲击损伤监测

基于压电传感器的Lamb波损伤成像方法已广泛用于复合材料结构的损伤识别与定位中,但由传感器网络布置所带来的成像背景会影响损伤成像效果,降低损伤定位精度.针对这一问题研究了损伤概率成像优化方法,假设各激励-传感通道损伤因子一致得到成像背景,通过抑制成像背景来对复合材料加筋壁板结构进行冲击损伤监测.成像结果表明,该优化方法相比于未抑制成像背景的概率成像算法,其成像最大概率点像素值与损伤中心点对应的像素值相对差值降低了约10%,同时冲击损伤的定位精度相比优化前提高了约2mm.     

基于时间反转加权分布的复合材料Lamb波损伤成像

超声Lamb波是检测板状结构损伤的常用方法,然而碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber ReinforcedPlastics,CFRP）本身的各向异性会对Lamb波的损伤成像和定位造成很大的影响。且大多数检测方法均采用健康结构的检测信号作为参考信号,用差信号的方法来实现损伤成像,该过程容易受到待测结构和实验环境变化等外界因素的影响。针对该问题,采用时间反转和加权分布成像相结合的方法,将其应用在复合材料板状结构的Lamb波损伤检测和成像中。仿真结果表明,该方法能够有效地实现板中单源脱层损伤和多源脱层损伤的二维成像与定位,且具有较高的精度和准确性。     

基于阵列传感器的复合材料结构损伤MUSIC成像方法

提出了一种基于传感器线阵的多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)损伤成像方法用于航空复合材料的损伤监测。该方法采用MUSIC阵列信号处理方法,通过对传感器阵列信号进行协方差特征值分解,在结构上进行方向扫描并构建监测区域的空间谱,从而实现对结构损伤的成像,具有一维传感器阵列易于布置的优点。所提出的方法在变厚度航空复合材料油箱结构上进行了验证,结果表明,该方法能够准确实现航空复合材料结构上的损伤成像,定位误差小于2cm。     

闭合型裂纹时间反转损伤识别

由于超声波能穿透闭合型裂纹界面,采用传统的线性超声技术难以检测和定位闭合型裂纹损伤,基于非线性时间反转理论研究了闭合型裂纹损伤检测方法。通过金属铝板上黏贴的压电激励/传感阵列,进行了Lamb波检测螺栓模拟的闭合型裂纹实验。根据Lamb波时间反转原理,得到激励重构信号。通过计算激励信号和重构信号间的相关系数定义了损伤指数,开发了能定位闭合型裂纹的成像算法。实验结果表明非线性超声时间反转方法能够有效地识别非线性的闭合型裂纹。     

基于多重信号分类算法的复合材料冲击定位

为了提高复合材料结构冲击定位的精度和实时性, 将阵列信号处理技术引入到结构健康监测领域, 提出了利用小波变换和多重信号分类算法实现复合材料结构冲击定位的新方法: 通过小波变换提取冲击响应信号某一窄带频率成分, 运用多重信号分类(MUSIC) 算法实现冲击源到达方向的估计; 根据Lamb 波传播特性, 用小波变换求出某一中心频率下的对称模式和反对称模式的Lamb 波到达同一传感器的时间差, 结合对称模式和反对称模式Lamb 的速度差就可以估计出冲击源到达传感器的距离, 实现冲击定位。对玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板和碳纤维/双马树脂基复合材料层合板2 种试件的实验均表明该方法能快速、精确地识别出冲击源位置。      

基于MUSIC及波束成形算法的非线性Lamb波微裂纹成像与评估EI北大核心CSCD

针对板状结构的微裂纹成像和评估问题,使用有限元分析方法在三维铝板中建立了埋藏型微裂纹,并采用对称激励的方式,在板中激励出S模态的Lamb波。利用多信号输入分类(multiple signal classification, MUSIC)算法,对传感器阵列捕捉到的信号进行处理,测算板中位于远场的微裂纹方向角。而后通过设置多组传感器阵列进行交叉定位,从而实现对板状结构中可能存在的微裂纹的大范围、高精度定位成像。以此为基础,对阵列信号进行波束成形算法处理,实现对信号的空间滤波,以减少其他方向的杂波对阵列信号的干扰;通过对处理后的阵列信号进行分析,计算其非线性参数,实现对裂纹损伤几何信息的评估。研究结果表明,该研究所构建的微裂纹定位成像算法在较高的环境噪声干扰下仍具备较好的损伤成像能力,且计算出的非线性参数与微裂纹厚度和宽度密切相关,可以有效评估微裂纹程度。     

Impact localisation with FBG for a self-healing carbon fibre composite structure

We demonstrated the localisation of impacts in orthotropic carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composite materials to within a few centimetres, using a sparse array of fibre Bragg grating (FBG) sensors. This type of sensor is easily embedded in composites permitting the development of structures with integrated sensing capability. Impact location was determined by measuring the differences in time-of-flight of ultrasonic Lamb waves at three surface-mounted sensors. An algorithm was developed taking into account the angle dependence of the optical fibre sensor sensitivity and the variation of Lamb waves propagation velocity with direction and wave mode. The performance of FBG sensors for impact localisation was compared to that of standard piezoelectric transducers (PZTs), which are already widely used for that purpose. The FBG-based system showed promising potential for a non-intrusive impact detection system applied to self-healing composite structures.     

Impact localisation with FBG for a self-healing carbon fibre composite structure

We demonstrated the localisation of impacts in orthotropic carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composite materials to within a few centimetres, using a sparse array of fibre Bragg grating (FBG) sensors. This type of sensor is easily embedded in composites permitting the development of structures with integrated sensing capability. Impact location was determined by measuring the differences in time-of-flight of ultrasonic Lamb waves at three surface-mounted sensors. An algorithm was developed taking into account the angle dependence of the optical fibre sensor sensitivity and the variation of Lamb waves propagation velocity with direction and wave mode. The performance of FBG sensors for impact localisation was compared to that of standard piezoelectric transducers (PZTs), which are already widely used for that purpose. The FBG-based system showed promising potential for a non-intrusive impact detection system applied to self-healing composite structures.     

复合材料板脱层损伤的时间反转成像监测

基于时间反转理论,对主动Lamb波复合材料结构脱层损伤成像监测技术进行了研究。分析了时间反转方法的理论基础以及对波源的信号聚焦过程。根据信号传播自身的特性,研究采用时间反转聚焦方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比,分析给出了具体的损伤信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在玻璃纤维复合材料板上的真实损伤实验结果表明,该方法能有效提高损伤散射信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、大致范围等特征。     

基于Lamb波和Hilbert变换的复合材料T型加筋损伤监测

为了监测整体成型复合材料结构的损伤,提出了一种基于Lamb波和Hilbert变换的能量损伤指数。首先,通过应用Hilbert变换提取Lamb波信号的波形包络;然后选取具有最大峰值的波包,将此波包在结构出现损伤后的能量变化值与损伤前的能量之比作为损伤指示;该方法不需要选择特定的Lamb波模式,克服了Lamb波在复合材料结构中存在的频散、多模式及模式转换给信号分析带来的困难;最后在复合材料T型加筋的损伤演化试验中,对该能量损伤指数进行了应用验证研究。研究结果表明：该能量损伤指数可以用于复合材料T型加筋的损伤监测,当能量损伤指数（EDI）值达到0.62时,所研究的复合材料T型加筋确定有损伤产生。     

基于三维弹性理论的碳纤维板中Lamb波建模

基于主动Lamb波的结构健康监测是目前复合材料结构损伤监测技术研究的热点之一,了解Lamb波的传播特性对进行可靠的损伤监测非常重要.本文结合经典三维弹性理论与Lamb波的运动位移方程,对碳纤维复合材料板中传播的Lamb波传播特性进行了建模研究,在此基础上推导了碳纤维板的相速度频散曲线,并讨论了Lamb波传播方向与坐标轴之间的夹角及碳纤维铺层方向对频散曲线的影响,建模结果证明了这种建模方法的正确性.     

识别薄板中兰姆波和体波的阶梯板方法

斜探头在某些频率下激励出的兰姆波,其群速度与体波的传播速度相近,所以通过判断传播速度不易区分出兰姆波和体波。通过数值模拟和实验,分别研究了激励频率为2 MHz的纵波和S0模态兰姆波在阶梯板上的反射特性,发现:在阶梯板上入射S0模态兰姆波时,有反射回波;而入射纵波时,无反射回波。基于这种反射特性的差别,提出了一种利用阶梯板区别薄板中兰姆波和体波的方法,该方法可用于确认探头的激励特性。