基于最大相似性的Lamb波损伤信号分解及试验研究

损伤反射波的准确提取可以使得基于主动Lamb波技术的损伤检测更有效的进行,而边界等结构特征反射波与损伤反射波产生的混叠,是提取损伤反射波的一个重要障碍。针对混叠情况,目前已有的主动Lamb波损伤监测方法大多采用基于参考信号的方法获取损伤散射信号,容易受到结构和环境等外界因素的影响。而由于在传感器接收到的Lamb波信号中,直达波之后时间段内的信号并不是任意波形,而应该是由数个反射波组成的,因此只要得到与目标信号最相似的反射波叠加组合,就可以认为成功解读了该目标信号,即相当于得到了损伤反射波。因此,提出一种基于最大相似性的Lamb波损伤信号分解算法。在分析Lamb波传播特性的基础上模拟边界反射波和损伤反射波,然后基于最大相似性原则,通过遗传算法对二者的合成信号的各个参数进行优化,使合成信号与目标信号之间的相似度达到最大。最后,使用Time of Flight(To F)方法对损伤进行了定位。铝板上的试验结果表明,该方法能够准确地提取出与边界反射波混叠的损伤反射波,从而实现对边界附近损伤的检测。     

金属薄板中导波的模态识别和波速测定

按照Lamb波理论,板内导波由多阶对称波和反对称波组成。当波长远大于板厚时,利用经典平板理论对Lamb方程进行简化,此时板内主要有零阶对称波S0和反对称波A0两种模态。认识薄板内声波模态,不仅有助于分析声源性质,提取有效信号,而且可以提高声发射检测中时差定位的准确性。利用PAC公司的Fieldcal标准信号发生器和Nielsen Hsu断铅法作为信号源在0.7 mm薄钢板上进行声波传播实验。通过比较实测波速和理论波速甄别板内的声波模态。实验发现对称波S0实测波速和理论波速比较吻合,而反对称波A0的波速由于频散而较难精确测量。综合两种模态波的波速情况,声发射检测中利用对称波速度进行声源定位计算更加接近薄壁结构声波的传播状况。     

基于虚拟时间反转的高分辨率复合材料板结构损伤成像

针对传统时间反转(TR)方法消除Lamb波传播时间和操作复杂的问题, 提出了虚拟时间反转(VTR)方法。该方法采用换元激励和接收机制以保留时间信息, 并运用信号运算代替物理TR操作。讨论了基于阶跃激励获取损伤监测路径传递函数的VTR实现过程。提出了基于VTR的高分辨率损伤成像方法。为了降低复合材料各向异性的影响, 在成像中进行了速度修正。实验结果表明, VTR方法能对碳纤维复合材料板中的Lamb波损伤散射波包进行部分再压缩和TR聚焦, 通过本文中成像方法也能清晰显示出板中单个和两个近邻损伤。      

基于超声导波的列车转向架结构损伤定位成像研究

转向架构架为列车重要部件,其健康状况直接关系到列车安全运行,而基于超声导波的无损检测技术能够用于结构健康监测。采用导波反演法获取构架材料的体波波速,结合Lamb波频散方程得到构架的Lamb波频散曲线,进而选择激励信号。载荷和构架边界都会使响应导波信号特征变得复杂,使得损伤定位误差增加。为减少时域信号误差的影响,采用完好结构与检测结构的激励信号与相应导波能量谱相关系数进行分析。通过此系数获取检测结构的损伤指数,经权函数对各导波传播路径加权,从而得到损伤概率密度大小,进行损伤定位诊断成像。在构架中分别沿焊接方向以及承载剪切方向引入切槽损伤进行实验测试。结果表明,该方法能够较准确地实现损伤定位。     

基于Bayesian理论的无参考信号主动Lamb波损伤定位方法

目前主动Lamb波损伤检测方法大都基于健康状态下的参考信号以获取损伤散射信号,并采用确定性的方法进行损伤定位,在适用性方面受到较大影响。基于Lamb波的时间反转聚焦原理,考虑损伤定位过程中的不确定性因素,发展了一种基于Bayesian理论的无参考信号主动Lamb波损伤定位方法。根据时反聚焦信号中主、旁瓣波包峰值的相对时刻,提取各测量通道损伤散射信号传播时间与直达波传播的时间之差作为样本,并基于Bayesian理论,获得损伤位置、波速等未知参数的联合后验概率分布,再利用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法在后验分布中对未知参数进行采样估计,得到马尔科夫链的极限分布即未知参数的后验分布。通过对一铝质矩形薄板的数值仿真和模型实验研究结果表明,该方法能够较为准确地识别出损伤位置、波传播速度及其不确定性。     

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。     

基于多维阵列和空间滤波器的损伤无波速成像定位方法

随着复合材料在航空结构中的广泛应用,基于压电传感器（PZTs）阵列和Lamb波的结构健康监测成像方法已经成为复合材料结构健康监测技术的研究热点,但是复合材料的各向异性特点导致依赖于信号传播速度的延迟-累加、相控阵等成像方法难以实现其损伤的准确监测。鉴于此,研究了一种与信号传播速度无关的空间滤波器损伤成像定位方法,该方法利用Lamb波在结构中传播时的空间-波数域特征,通过设置空间权重函数使压电传感器阵列形成波数带宽为[k_min,k_max]的空间-波数域滤波器对特定空间方位的Lamb波进行滤波,得到损伤的角度图像; 然后,利用多维线性压电传感器阵列各自针对损伤得到的角度图像进行融合,得到损伤的坐标图像,从而实现了在不依赖传播速度的情况下对损伤的成像定位。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。实验结果表明：基于多维线性压电传感器阵列和空间-波数域滤波算法的无波速成像定位方法可以对复合材料结构损伤进行不依赖信号传播速度的成像定位,定位误差在1 cm以内。     

Lamb波在复合材料板中传播的谱有限元建模和仿真

基于谱有限元对Lamb波在复合材料层合板中的传播进行了模拟。结合Gabor小波分析对谱有限元及传统有限元模拟结果与理论结果进行了对比, 并对相控阵法结构探伤的扫描过程进行了模拟和分析, 给出了Lamb波的传播和扫描图像。结果表明, 在得到更精确模拟结果的同时, 谱有限元较传统有限元法能大大缩短计算时间, 证实了该方法在模拟Lamb波在复合材料板中的传播方面的优越性。同时, 谱有限元法能很好地模拟相控阵法探伤的扫描过程, 模拟结果与实际结果吻合, 证实了本文建模方法的可行性和精确性。      

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.     

基于Lamb波的薄壁槽状结构损伤检测研究

研究复杂工程结构的结构健康监测技术具有现实意义。使用基于Lamb波的仿真和实验方法,对“U”形截面的铝合金构件中的损伤检测问题进行了研究。建立了构件的三维有限元模型并实现了Lamb波传播过程的动态仿真;实验中使用锆钛酸铅压电晶片（PZT wafer）来激发和接收在构件中传播的Lamb波。借助于连续小波变换（CWT）和希尔伯特变换（HT）等方法对仿真和实验中采集到的Lamb波信号进行处理,从中提取了与损伤有关的时域特征,建立了损伤位置和损伤反射波包飞行时间（ToF）之间的定量关系。     

基于多频率数据融合的Lamb波损伤定位研究

确定损伤位置是结构健康监测中的重要环节,而时间延迟是确定损伤位置的关键问题。针对Lamb波的频散效应对定位精度的影响,提出了一种基于Morlet小波时频分析和多频率数据融合的损伤定位方法,首先采用小波分析的手段,提取多组特定频率下的信号,实现多频率成分下波达时刻的准确判定,进而采用加权平均处理的方法获得损伤位置到两换能器的距离之和,最后基于椭圆定位法确定了损伤的位置。试验结果表明,该方法能够有效减少Lamb波频散效应的影响,相较时域峰值包络的方法,可有效提高定位的精度,同时增强了系统抗干扰的能力。     

基于激光超声二次谐波技术检测纤维增强树脂复合材料加固混凝土结构剥离损伤

纤维增强树脂(FRP)复合材料加固混凝土结构的早期剥离损伤往往趋向于闭合状态,传统线性超声技术对这种剥离损伤不敏感.本文提出了基于连续激光激发窄带超声波技术结合非线性超声二次谐波法检测FRP复合材料加固混凝土剥离损伤的方法,该方法通过强度调制激光技术在加固结构的表面激励窄带超声表面波,在超声波的扰动下,依据弹簧模型的接...     

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。     

基于频率识别纤维增强树脂复合材料加筋板的分层损伤

以纤维增强树脂（FRP）复合材料加筋板为研究对象,通过对比分层损伤发生前后FRP复合材料加筋板的振动频率变化,来识别FRP复合材料加筋板中的分层损伤。构建了人工神经网络（ANN）和基于有代理模型的优化算法（SAO）两种逆向检测算法,利用FRP复合材料加筋板在损伤前后发生的一系列频率变化值来逆推出FRP复合材料加筋板中的分层位置和大小。分别采用数值验证和实验验证来双重检验ANN和SAO两种算法的识别精度和效率。数值验证结果表明:ANN和SAO两种逆向检测算法对分层损伤位置和大小的识别最大误差分别是5.04%（ANN）和5.24%（SAO）,证明方法在理论上可行。实验验证结果表明:ANN在使用实测频率数据进行识别时预测精度很差,无法得到有效的分层损伤信息;而采用SAO可以较好地预测试件中的分层损伤,且对分层大小的预测比对分层位置的预测精度更高,其中,对贯穿损伤和底板损伤的大小预测误差分别不超过2.05%和9%,而四个试件中有两个试件预测的分层与实际的损伤部位存在重合（重合率分别为34%和32.65%）。因此,当前提出的ANN和SAO在理论上可行,但实际应用时都会受到不同程度实测数据误差的影响,相比ANN而言,SAO算法有更好的鲁棒性,在采用实测频率时也可以较为准确地预测出试件中的分层损伤。      

聚焦离子束加工单晶体金刚石刀具实验研究

作为超精密切削加工刀具的理想材料,单晶体金刚石材料的加工制造方法直接决定了刀具切削加工表面的精度和质量.由于金刚石材料具有明显的各向异性,在传统的金刚石刀具机械刃磨法中需要综合考虑制备工艺和刀具性能的协同关系,主要包括不同晶面表现出显著的物理机械性能差异、不同晶向存在显著的难磨和易磨方向等.本文针对聚焦离子束(FIB)技术加工金刚石刀具的过程中,金刚石材料性质对聚焦离子束加工质量、加工效率的影响规律等关键工艺开展了研究.研究发现,与传统的机械刃磨法相比,聚焦离子束加工是基于高能离子束的轰击溅射实现材料的去除,聚焦离子束加工中存在的级联碰撞现象显著弱化了金刚石材料各向异性的影响.     

大电机定子绝缘损伤成像检测方法研究

为了准确评估定子绝缘结构健康状况,基于导波理论进行定子绝缘结构损伤成像检测研究。首先根据定子绝缘材料特性参数,建立定子线棒结构有限元模型。对定子绝缘损伤检测中导波的激励、传播和接收进行数值模拟,并建立横向裂纹、纵向裂纹、气隙和分层四种典型定子绝缘损伤模型。利用希尔伯特变换提取损伤散射信号到达时间作为损伤特征,采用概率成像方法对定子绝缘中的损伤状况进行成像检测。数值仿真结果表明:损伤散射导波飞行时间是表征损伤位置的有效特征,A0模态损伤散射波对定子绝缘损伤更敏感,概率成像能够直观地检测出定子绝缘中的损伤并能进行准确定位,为进一步应用导波进行大电机定子绝缘状态评估提供有效的参考信息。     

Finite element modelling of lamb waves propagation in 2D plates and thin sheets for damage detection

Structural health monitoring is an evolving technology applied to identify, locate and quantify severity of damages in structures before failure. Lamb waves have become a keen interest for inspection since they can be used to monitor a large area from one single location. The objective of this research is to simulate lamb wave response using finite element method and its application to crack detection and identification in thin metallic engineering structures. Two types of specimen i. e. two‐dimensional aluminium plate and thin aluminium sheets are simulated using commercially available finite element package ABAQUS. Initially phase velocity and group velocity dispersion curve are plotted for aluminium material. Thereafter simulation of individual specimens with cracks and without cracks is performed. Simulation results were compared and validated with actual results and were found to be in reasonably good agreement. This is certainly done by employing group velocity and time of flight for the distance travelled between the monitoring point and crack position. Assessment of lamb waves sensitivity to various sizes and shapes of cracks like rectangular and circular are also investigated and its effect on the structure is discussed in detail.     

复合材料加筋壁板损伤识别的概率成像方法

由于不需要超声导波的波速和传播时间,损伤概率成像方法特别适合于复合材料结构的损伤识别。但是其损伤概率分布函数是一种不精确的分布概率,会造成损伤定位精度的降低,从而会影响其在实际工程结构中的应用。为了提高其损伤定位精度,提出了一种改进的损伤概率成像方法。该方法通过利用损伤因子与损伤距离激励-传感通道直达路径的相对距离的关系,对损伤概率成像方法的损伤概率分布函数进行了改进。通过对复合材料加筋壁板上不同位置损伤的识别,对所提方法的有效性进行了验证。实验结果表明,该方法不仅能对复合材料加筋壁板的单损伤进行准确定位,而且能对两个损伤进行有效识别。     

Fracture source location in thin plates using the wavelet transform of dispersive waves

A new signal processing approach was presented for acoustic emission source location using the dispersive waves in a thin plate. For wave propagation in dispersive media, the accuracy of source location can be improved by using the arrival times of a single frequency component in the output signals at an array of sensors. The wavelet transform (WT) was used to resolve this problem. By utilizing the time-frequency data of the WT, the frequency-dependent arrival time traveling with the group velocity was shown to be easily determined. Experiments were performed using a lead break as the simulated fracture source on the surface of an aluminum plate. Two plate modes corresponding to the S(0) and A(0) Lamb waves were identified, and their group velocities were accurately measured. The source location results based on the WT method agreed well with the true locations. The WT method was also compared with the cross correlation technique, and both methods provide similar results.