（测试计量技术及仪器专业论文）基于lamb波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究.pdf

括十l a m b 被二动舱测拽术的复台材料耋古构j ：5 伤定位研究 摘要 本文采用l a m b 波主动监测技术，利用粘贴在复合材料板表面的压电元件，通过 选择恰当的激励信号，激励出可进行l a m b 波分析的主动监测信号，进而对监测信号 进行分析及模式处理，初步实现了二维结构的损伤定位。 f ! j + 先，本文探讨了l a m b 波在结构中的传播特性，研究了实验所选频率范围内适 j 二复合材料损伤监测的最好的中心频率。 其次，本文采用小波分析方法提取l a m b 波群速度的到达时删，获得了比阈值法 及互相关方法更赢的精度。 最后，仔细讨论了基y - l a m b 波主动监测技术的结构损伤定位研究。针对复合材 料板，分析了l a m b 波在结构损伤前后的传播速度；采用了椭圆技术来确定损伤位置； 比较了j 种不同的时延估计方法的损伤定位效果。 本课题得到了国家自然科学基金项目 ( 5 0 1 3 5 0 3 0 ) ：国防预研项目( 4 0 2 0 3 0 2 0 2 ) 的资助。 ( 9 0 3 0 5 0 0 5 ) ；国家自然科学基金重点项目 国防8 6 3 项目( 轻质机体结构设计技术) 关键字：主动监测技术损伤定位l a m b 波小波变换时间延迟估计复合材料 基于l a m b 波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究 a b s t r a c t s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h eh o ta r e a o fs m a r tm a t e r i a la n ds t r u c t u r e sa n dc o m p o s i t ed a m a g ed e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c h c o n t e n to f s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g t h i ss t u d y a d o p t sa c t i v ed e t e c t i o nt e c h n i q u e b a s e do nl a m bw a v et om o n i t o rd a m a g e i nc o m p o s i t em a t e r i a l s p z tc e r a m i c sw i t ht h ed i a m e t e ro f8 m ma r eb o n d e do nt h es u r f a c e o f f i b e 唱l a s s r e i n f o r c e dc o m p o s i t em a t e r i a la c t i n ga sb o t ha c t u a t o r sa n d s e n s o r st og e n e r a t e a n dc o l l e c tl a m bw a v e s ，t h ew a v e se m i t t e di n t e r a c tw i t hd i s c o n t i n u i t i e sa n de x p e r i e n c ea c h a n g e i nt h e i r p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw h e nd a m a g ei sg e n e r a t e d b yc o m p a r i n g s e n s o r s i g n a l s c o l l e c t e db e f o r ea n da f t e r d a m a g eh a p p e n s ，d a m a g e l o c a t i o nc a nb e d e t e r m i n e d ， t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ec o n c e p to f a c t i v em o n i t o r i n gt e c h n i q u eb a s e do nl a m bw a v ei nt h ep a p e r a n dt h ep r o p a g a t i o nf u n d a m e n t a l so fl a m bw a v ei ns t r u c t u r ea r ed i s c u s s e d a c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m a lc e n t r a lf r e q u e n c y i ss t u d i e di nt h er a n g eo f s e l e c t i v eh q u e n c y s e c o n d l y ，w a v e l e tt r a n s f o r mi sa p p l i e dt oc o m p u t et h ea r r i v a lt i m eo ft h el a m bw a v e g r o u pv e l o c i t ye x p e r i m e n t sr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tw a v e l e tt r a n s f o r mc a ni m p r o v et h e p r e c i s i o no f d a m a g e l o c a l i z a t i o n f i n a l l y , d a m a g el o c a l i z a t i o ns y s t e mf o rc o m p o s i t em a t e r i a l sb a s e do nl a m bw a v e m e t h o d su s i n gw a v e l e ta n a l y s i si sd i s c u s s e di nd e t a i l a c c o r d i n gt of i b e r g l a s s - r e i n f o r c e d c o m p o s i t em a t e r i a l ，t h ep r o p a g a t i o nm o d e so fl a m bw a v eb e f o r ea n da f t e rd a m a g e s g e n e r a t i o ni sa n a l y z e d ，e l l i p s et e c h n i q u ei sa p p l i e dt od e t e r m i n ed a m a g el o c a t i o n t h r e e t i m ed e l a ye s t i m a t i o nm e t h o d sa r ec o m p a r e d t h i ss t u d yc a l ld e t e c td a m a g ei nt w o d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e ，w h i c hm e a n s ，d a m a g ei s n o tn e c e s s a r yt ol o c a t ei nt h eb e e l i n eo f d e t e c t i o nr o u t e k e yw o r d s ：a c t i v em o n i t o r i n gt e c h n i q u e ；d a m a g el o c a l i z a t i o n ；l a m bw a v e ；w a v e l e t t r a n s f o r m ；t i m e d e l a y ；c o m p o s i t em a t e r i a l i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 结构健康监测的研究背景及研究内容 1 1 1 结构损伤的传统检测 无损检测是通过现代测试技术不破坏材料和构件，而检测出影响其质量的缺陷 的一种方法。表1 1 简要介绍了已广泛应用于结构损伤检测并具有较好应用前景的部 分无损检测技术( n d t ) 及其它们优缺点的对比。 表l - 1 常用无损检测技术的功能比较 方法原理及检测特征优点缺点 超声缺陷引起声阻抗变换能渗透厚材料需水浸或耦合剂 声超声使用脉冲超声应力波激励便携式定量自动图形显表面接触且对几何形 示状要求严格 x 射线渗透的射线吸收不周胶片提供检测记录和大昂贵，不能示出缺陷的 ( 照相)量的基本数据深度 声发射缺陷扩展产生应力波远距离和连续监视检测时需加外载 涡流材料变化引起导电率的变化方便、自动、成本中等局限于导电材料且渗 透深度有限 常规的无损检测方法如目视、x 射线、超声等虽然具有量化的特征，也能达到一 定的精度，但是这些先进的技术却只适用于小型结构或材料的检测。而对像建筑、飞 机、船舶、汽车、桥梁这样的大型构件进行无损检测，其庞大的实验工作量和无法直 接反映结构整体功能状况的缺点是显而易见的。另外，常规无损检测对一些不可见的 部位进行检测时，不仅技术上无法实施，甚至要求结构的某些功能停止使用、停止运 转( 如大型客机要求在停飞的情况下进行检测) ，这会带来经济上的损失。因此，发 展一种简便、经济而行之有效的且能实时监测结构安全状况的方法势在必行。近年来 发展起来的结构健康监测技术是填补这一项空白的重要研究领域。 1 1 2 结构健康监测的研究背景及动态 结构健康监测是新近发展起来的仿生智能系统，它是从仿生学的角度来阐释力学 上的“死”结构，并赋予其智能功能与生命特征，使其以生物界的方式感知结构系统 内部的状态( 结构整体形变、局部应力应变、强度、剐度等) 和外部的环境，在线监 测结构的“健康”状态。当遇到突发事故或危险环境，系统可通过调节与控制使整个 1 基于l a m b 波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究 结构系统恢复到最佳工作状态。系统还可通过自动改变和调节结构的形状、位置、强 度、刚度、阻尼或振动频率使结构在危险发生时能自我保护，并继续生存下去。可见， 它能对结构的整体和结构状况进行实时的诊断性监测，及时发现结构内部的损伤，并 对损伤进行探测和定位，使整个结构系统的效能始终处于被监测状态，为结构的安全 使用与及时维护提供重要依据川。因此，结构健康监测将有可能把目前广泛采用的离 线、静态、被动的检测转变为在线、动态、实时健康监测，这将导致工程结构安全监 测与性能改善产生质的飞跃，是结构设计思想的场革命。 理想的结构健康监测方法应该能准确的在损伤发生的初期，发现损伤并能够定位 及确定损伤的程度，进而提供结构的安全性评估，并能预测损伤结构的剩余寿命。通 常损伤监测有五个目标，其难易程度和复杂性逐次增加口。3 】： 目标一：确定损伤有无： 目标二：确定损伤位置； 目标三：结构安全性评估； 目标四：预测结构安全寿命： 目标五：健康自适应控制。 结构健康检测具有众多的优势弥补了传统检测技术上的缺陷： 1 ) 能够实时监测和预报，节约了损伤探测与维护费用； 2 ) 客观的历史记录数据减少了人力干预，从而减少了人为误差和停工时间； 3 ) 自动化测量，保障了测量的可靠性； 4 ) 停工减少与可靠性增加，保障了工程结构高的运营效率，大大降低了运营 费用。 正因为结构健康检测具有上述优点，该技术可被应用于航空航天，船舶工业、民 用建筑等诸多领域。例如： l先进战斗机和超期服役飞机的健康监控。目前，超期服役的飞机在机群中占 有一定的比例，状况令人担忧，飞机的定检及常规检测需要花费很多时间及费用。以 美国的p - 1 1 1 a 为例【4 1 ，每年的检测工时大约为8 0 0 0 个小时。先进的战斗机也有同样 需求，而使用在线监测系统则有效避免了飞机结构损伤造成的不安全因素，节省了大 量的时间、人力及财力。 2 航天器及空间站的健康监测。航天器在探索宇宙奥秘中发挥着重要的作用， 是通往宇宙的桥梁。在它们的帮助下，我们了解了许许多多关于宇宙的奥秘，也了解 了我们人类本身的生存环境。但常规的监测需要极高的费用，采用实时在线的健康监 测技术可以有效的降低损伤的监测成本。 3民用结构的在线监测。在民用结构中，采用在线监测的方法可以代替常规检 测方法，提高检测效率和降低成本，可广泛应用于桥梁、铁路、房屋建筑等各个领域。 美国阳光航线大桥、英国的弗林特郡大桥、香港的证券大桥，以及中国南京的长江二 桥都已开始探索安装健康监测系统对应力、应变及温度等参数实行在线监测【”。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 i 1 3 结构健康检测的研究内容 结构健康监测的主要研究内容包括传感技术、信号处理技术、识别与诊断技术和 集成技术。 1 传感技术 在结构健康监测中最常用的传感器有：光纤传感器和压电元件。光纤传感器有 电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，但其成本较高，设备也比较 复杂，应用范围可以从民用结构到航空航天结构。压电元件既可以作为传感器也可以 用作驱动器，灵敏度高，动态性能好，应用也比较广泛。但它有脆性大、不易埋入结 构中，低频特性差等缺点【6 】上述传感器不仅应该满足点测量的要求，而且应该能够 组成一种经济可靠的分布式传感网络，从而实现大范围连续的健康监测。 2 信号的采集与处理 信号的采集与处理系统可以说是健康检测的一个重要部分，目前国内外都在大力 开发相应的软件。清华大学开发了一套用于香港虎门大桥的应变监视软件用， e r o m 等设计了一套无线模块监视系统【8 】，用于检测结构的损伤。a c e l l e n t 公司专门开发了 一套商业化监测软件，该系统由三部分组成：s m a r t 层，s m a r t 工具箱和分析软件， s m a r t 层为一灵活的压电传感器层，可方便地安装到结构上用于在线监测，s m a r t 工 具箱能将传感器收集到的信息送到分析软件以供其处理。c h r i s t o p h e r 等开发了基于 互连网的无线传感器网络，可以有许多用户在互连网上共享所监测的数据。i n a u d i 等考虑到浩大的实时监测数据的存储问题提出了监测数据的组织管理与标准化邮j 。 从传感器采集的信号包含很多信息。通常情况下，由于外界环境噪声的影响及复 合材料的复杂特性等原因，使得损伤特征信号的分析和提取异常困难。因此选择合适 的信号处理方法就显得尤为重要，如传统的傅立叶分析方法、时频分析方法。 3 损伤的识别及诊断 损伤的识别与诊断是结构健康监测中的一个重要内容。建立损伤特征与传感信号 特征之间的关系是系统的基本要求。除了损伤之外，还有很多因素影响传感信号，因 此获得结构损伤与特征信号之间的关系有很多困难需要克服。 从数学意义上来说，结构健康监控是一个非线性的反问题。采用模型分析、系统 识别、人工神经网络、遗传算法、优化计算等在结构健康监控上已经取得了不少的结 果。然而，大部分的研究是建立在结构简化以及可控制的实验室环境下完成的。因此， 无论从实际结构获得测试数据还是对实际结构的理论分析，以及依靠大量历史数据来 实现健康监控，都还有很多工作要做。 4 系统集成 基于l a m b 波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究 系统集成包括软件和硬件两部分。主要研究的内容包括j ： 结构集成：通常意义上，将传感器及驱动器集成入主体结构会影响主体结构的机 械性能，也会影响到传感器件的本身性能，从而影响到传感信号的准确性和真实性， 这些影响必须减到最小。 用户界面：提供简单易用的用户界面系统。 微型化：作为主体结构的一部分，整个系统尺寸应尽量减小。如采用先进的d s p 技术，将结构健康监测系统进行系统集成，使得结构的小型化切实可行。 1 2 基于压电元件的结构健康监测 1 2 1 压电元件的工作原理 压电元件以其灵敏度离、动态范围宽、即可作传感器也可作驱动器等优点逐渐 成为结构健康监测研究的一个热门课题。 压电元件既能当结构中的驱动元件，又能作为传感元件。对压电元件施加机械 变形时，就会引起原本重叠的内部正负电荷中心产生相对移动而产生电的极化，从而 导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密度和外力成比例，这种现 象称为正压电效应。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力。检 测出压电元件上的电荷变化即可得知元件埋入处结构的变形量，因此利用正压电效 应，可以将压电材料制成传感元件 “。 如果在压电元件两端加电压，施加电场的作用，造成原本重叠的内部正负电荷中 心产生相对位移，导致压电元件的变形，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应反映 了压电材料具有将电能转变为机械能的能力，利用逆压电效应可以将压电材料制成驱 动元件，将压电元件埋入结构中，可以使结构变形或改变应力状态。 1 2 2 基于压电元件的损伤检测 压电材料由于其正压电效应和逆压电效应既可作为传感器接收信号也可作为驱 动器产生信号，这样利用结构中埋入的主动元件( 压电驱动器) 向结构施加激励信号， 通过压电传感器检测结构对激励的响应，对其进行分析、识别从而判断结构中的损伤。 这是一种主动的损伤监测方法。通常的结构健康监测方法可分为主动监测方法和被动 监测方法。被动监测方法只是通过传感器用以测量结构的响应，感知外界的温度、机 械、或化学变化，这些位置的机械和非机械的信号需要通过传感器来确定。不同于被 动监测方法的是，主动监测方法通过驱动器对结构施加主动激励信号，通过传感器接 收结构的响应信号，具体步骤是m 】：传感器通过内置的驱动器来产生激励信号并通过 传感网络感知结构健康监测系统的响应，受控的激励信号用来查询结构内部是否存在 损伤，损伤特征可以在响应信号中通过传感信号反映出来。其优于被动监测方法的地 方是可在任何需要的时刻对结构进行在线监测，无需时刻监测，有效节省能源，同时 4 南京航空航天大学硕士学位论文 对环境噪声和干扰具有抑制能力。基于声发射传感器阵列的损伤监测方法是被动式监 测方法，本文所研究的基于l a m b 波主动监测方法则属于主动监测方法，下面将对这 两种方法做简要介绍。 i ) 基于声发射传感器阵列的损伤监测 声发射( a e ) 是指在外界作用( 应力、温度) 下，材料内部微观状态发生变化( 变 形或裂纹形成等) ，一部分能量以弹性波的形式释放的现象。声发射信号来自被测试 件的缺陷本身，因此它携带有材料内部缺陷的发展信息。而且一般来说，当材料处于 微观损伤但宏观尚未形成破坏的情况下，a e 现象就已经比较明显，它给损伤的预报 和实时监测提供了可能。由于声发射信号是由被测对象自身产生的，测量系统只能被 动的检测这一信号，因此我们归之为被动式检测方法。 通常的声发射测试方法都是基于加载试验的，通过专门的加载系统和声发射测量 系统，测试材料在试验条件下的声发射特性，因而是一种非实时的损伤监测方法。其 试验结果与试件形状、加载方式、载荷历史以及声发射传感器的特性和放置位置有关， 这种试验条件与材料实际使用条件的差异，使试验结果无法反映材料在实际使用过程 中真正的声发射特征m 】。而实际结构中，声发射信号是伴随着缺陷发展和变化而同时 产生的，它反映了损伤发展的动态信息和响应的严重程度，因此在结构使用过程中实 时监测声发射信号才能体现声发射检测的优越性。 压电元件具有传感灵敏度高、频率响应宽的优点，可埋设在结构中用来进行声发 射信号的测量，通过点式阵列布局，用若干传感器就可监视大面积的结构，根据声发 射信号传播的时差，还能够确定声发射产生的地点，获得损伤的定位信息。在本文中， 将压电元件埋入复合材料结构中，组成声发射传感器阵列，对声发射监测和定位进行 了研究。 2 ) 基于l a m b 波的主动监测技术 目前，结构的健康检测仍面临着大量的问题。探索更新的监测方法和技术对复合 材料的在线监测，尤其是航空航天结构而言，具有重要的理论和应用价值。损伤主动 监测技术( a c t i v ed a m a g ed e t e c t i o nt e c h n i q u e ) 是新兴的检测技术之一。 主动监测方法可分为四个过程：主动监测信号的激发，信号在材料中的传播，监 测信号的接收以及监测信号的分析。结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展， 这些以及损伤周围的边界都会引起在结构中传播的主动监测信号的散射和能量的吸 收。l a i i 】b 波是在固体结构中传播的弹性波，由上世纪h l a m b 先生研究无限大板中 正弦波问题而得名”。l a f i l b 波在不同的厚度及不同激发频率下会产生不同的传播模 式”。基于l a i i l b 波的主动监测技术就是选择合适的激励信号，激励出可进行l a m b 波 分析的主动监测信号，通过对监测信号的分析及模式处理以达到监测目的。 基于l a m b 波主动监测技术的复合材辩结构损伤定位研究 美国航空航天局( n a s a ) 的s a r a v a n o s 等人从理论及实验上证实了利用l a m b 波 检测复合材料梁结构的分层损伤 。英国国防与评估研究机构的p e r c i v a l 和b i r t 则 研究利用两种基本的l a m b 传播模式检测材料损伤 】。在国内，中国科学院声学研究 所应崇福等用光弹方法对l a m b 波的应力分布，进行了直接观察i ，他们还对l a m b 波 传播与散射进行了观察和研究。但l a m b 波本身性质过于复杂，因此寻求激发较少传 播模式的主动监测信号成为选择之。 1 3 结构健康监测的信息处理技术 信号处理及控制技术是结构健康监测研究中的一个关键技术。由于大型结构本身 性能和损伤的复杂性，大多数在线监测的研究目前都处于实验室阶段，其准确性和可 靠性离实用性还有不少距离。究其原因，有个非常重要的因素是信号处理方法的局 限。 在材料的损伤检测领域，在对信号的数据处理方面，主要的技术有频谱分析、小 波分析、神经网络、模式识别、黄氏变换等方法，小波变换以其优良的时频特性在结 构健康监测领域碍到了广泛的应用。小波分析优于传统信号处理方法之处在于传统傅 立叶分析只能获得信号的整体频谱，而不能获得信号的局部特性，不能用于局部分析。 小波分析被誉为数学显微镜，本身具有放大、缩小和平移等功能，可通过检查不同方 法倍数下的变化来研究信号的特征，具有优良的时频局部化特性。这样，用小波分析 作为信号处理工具将能对被分析信号进行更细致的分析，获得比傅立叶分析更多的信 号特征9 l 。小波分析在结构健康监测的研究中主要用来对结构的动态响应及损伤信号 进行时频局部化处理，以提取反映结构状态的有用信息。 1 4 国内外研究动态 结构健康监测技术的诞生是信息科学与工程及材料科学相互渗透与融合的结果， 己在一些重要工程结构健康监测与控制方面展现了良好的应用前景。2 0 世纪9 0 年代 以来，随着火星无入探测计划、国际空间站计划、大跨度铁路公路双用桥等大型工程 项目的实施。复杂结构体系的健康监测问题迅速成为国际学术界和工程界关注的热 点，它的研究引起了美、英、法、日等发达国家的极大重视，已被列为优先发展的研 究领域和优先培育的2 l 世纪高新技术产业之一。美国的阿拉巴马州大学利用压电传 感器及主动监测技术研究混凝土复合材料的脱层损伤情况的监测f 皿j ；法国o n e r a 结构 损伤力学系利用l a m b 波及小波分析技术进行碳纤维复合材料的损伤定位的研究口”。 国内不少单位也在开展结构健康监测的研究。我国自9 0 年代中期开始，首先在 “8 6 3 ”航天高科技计划中投入了一定的资金用于支持大型复杂结构体系健康自我诊 断问题的探索性研究。南京航空航天大学、重庆大学、华中理工大学、哈尔滨工业大 学等单位在结构健康监测的研究中也取得了许多成果，如自适应复合材料、光纤智能 6 南京航空航天大学硕士学位论文 结构的自诊断、自修复，利用声发射技术和小波分析、神经网络对损伤进行定位等。 其中，南京航空航天大学智能材料与结构研究所在利用压电元件及小波分析探索飞机 表面结冰的出现及程度研究1 8 2 ”；应用小渡分析及主动监测技术对复合材料实行监测 技术的研究l ；应用神经网络在复合材料主动监测技术中等各方面取得了各项研究成 果口5 i 。另外，南航智能所研制的强度自适应智能复合材料结构，将光纤、压电元件等 埋入大型复台材料试验件，实现了多损伤的在线自诊断及自适应，达到了国内先进水 平，部分成果属国际首创，获得了国家发明三等奖。重庆大学、南京航空航天大学、 两安交通大学合作完成的国家自然科学基金重点项目“智能机械结构及系统基础”也 取得了多项成果。 1 5 论文工作及意义 复合材料层合结构由于重量轻、刚性好，已经在航空航天和许多民用结构中得到 广泛应用。但是复合材料在力学破损、失效等方面的性能却比较复杂，容易出现分层、 脱胶、基体断裂等破坏形式，在实际工程中需要不同形式的维护及损伤检测，以延长 结构的使用寿命，防止结构发生灾难性的破坏。因此复合材料结构健康监测技术一直 是人们所关注的问题。 本文采用基于l a m b 波的主动监测技术，通过选择恰当的激励信号，利用粘贴在 复合材料表面的压电陶瓷片检测结构的响应，此响应信号包含了有关激励和接收两点 所在的结构整体性的信息，从响应信号中识别损伤信息，从而确定出结构中的损伤位 置。 本文的主要研究内容可概括如下： 一、l a m b 波传播特性的研究：探讨了l a m b 波在结构中的传播特性及不同因素 对l a m b 波传播模式的影响。分析了l a m b 波在结构损伤前后的传播模式。 二、激励信号中心频率的研究：在实验的基础上，研究了实验所选频率范围内 适于复合材料损伤监测的最好的中心频率。采用了一种基于椭圆技术的损 伤定位方法，该方法的优点是由于它基于简单几何假设因而需要较少的运 算时问。 三、 采用小波分析方法提取l a m b 波群速度到达时间，获得了比阈值法及相关 函数法更高的精度。 四、采用基于l a m b 波主动监测技术，初步实现了二维结构复合材料结构上的 损伤位置定位。 基于l a m b 波技术的复合材料损伤检测在国际上正处于探索研究阶段。本文所做 的研究实质上是检测了一个二维平面，损伤位置可不必在监测路径上，太大节约了检 ， 基于l a m b 波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究 测时间，提高了检测效率。 南京航空航天大学硕十学位论文 第二章l a m b 波理论 2 1l a m b 波的基本理论及其应用 2 1 1l a m b 波概述 l a m b 波是在具有两个平行表面的结构中由横波和纵波相互耦合而成的一种应力 波。l a m b 波在板中传播时，板中质点产生振动，其振动方式十分复杂，不仅相异模 式l a m b 波的振动方式不同，而且相同模式l a m b 波的振动方式也随各种参数( 频率、 板厚等) 的交化而改变( 2 6 】。l a m b 波在板中传播时，如遇到与基体不同的介质，类似 分层等缺陷时，会发生散射现象。 随着微电子技术与复合材料的广泛应用，一种监测结构损伤的新思想产生了。这 就是利用粘贴在复合材料表面上的压电元件来监测结构的损伤。压电材料在结构中充 当驱动器和传感器。通过驱动器产生l a m b 波，并用传感器来接收信号。l a m b 波在不 同的厚度及不同激发频率下会产生不同的传播模式，利用它对缺陷的反射，就可确定 缺陷的大致位置。 2 1 2l a m b 波在结构健康监测中的应用 将la i i l b 波作为损伤检测方法可追溯到1 9 6 0 年，通用公司( g ec o ) 的工程师 w o r l t o n 。他指出铝和锆的频散曲线的模式特征可应用于材料无损监测。随后的十年 中，许多的研究人员证实了l a m b 波技术的有效性。二十世纪六十年代末，d e m e r 和 f e n t n o r 首次将l a j n b 波技术应用于航空领域【2 7 1 。他们提出l a m b 波是表征材料信息( 密 度、弹性模量和厚度) 较为有效的方法之一。然而，他们也不得不承认l a m b 波的性 质难以理解不容易解释。 二十世纪八十年代到九十年代初期，人们开始将la j i l b 波技术应用于复合材料的 损伤检测。目前应用l a m b 波技术进行损伤监测最出色的研究工作是i m p e r i a l c o l l e g e 的两个独立研究小组。c a w l e y 的小组已研究了方向性l a m b 波激发的优化， 开发了用于激励和检测l a m b 波的p v d f 传感器，可实时监测金属材料的损伤脚】，s o u t i s 的小组则致力于传感器的布置和信号的处理问题p 】。但是，由于对l a m b 波频散及多 模态特征的理解还不够深入，使得这项技术现在还难以得到大范围应用。 2 2 板中的l a m b 波 在无限均匀各向同性弹性介质中，只存在两种超声波一一横波和纵波，二者 分别以各自的特征速度传播而无波形耦合，而在扳中则不然，在板的某一点上激励超 声波，由于超声波传播到板的上、下界面时，会发生波形转换，经过在板内一段时闯 的传播之后，因叠加而产生“波包”，即所谓的板中l a m b 波模态。l a m b 波在板中传 9 基于l a m b 波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究 播时，存在不同的模态，各种模态的叠加效果即为“l a m b 波”，也称为“导波m 1 ”。 h h 图2 1 板的几何描述 设厚度为2 h ，表面自由的无限大薄板如图2 1 所示，建立如图所示的坐标系，则 其边界条件为：在z = h 处6 ：。= o ，8z x _ o 。在此边界条件下，求解波动方程，可得板 的r a y l e i g h l a m b 方程： ( 2 一1 ) 这里m = 2 矿为角频率：2 h 为板厚：c ，c z 分别为纵波和横波速度；c 为l a m b 波的 相速度；+ 1 次方程和一1 次方程分别对应对称和反对称模态的l a m b 波。 对于l a m b 波而言，通过数值求解超越方程( 2 1 ) ，可以求得其相速度( 或者波 数) 与频率厚度积的关系，即频散曲线。对于特定的m 或k ，板中的位移场以及应力 场都可求得川。 2 3l a m b 波传播特性 l a m b 波可简单定义为边界自由的固体板中的弹性波。它既发生在波传播方向也 发生在垂直板面的方向上，只要该弹性板边界自由。l a m b 波是固体波的一种类型， 也称为板波模式。其在各向同性板中的传播特性已经被广泛的在各种著作中讨论。 l a m b 波也是超声波的一种，是板材厚度与透入的声波波长相当时在板材中激励而成 的应力波。根据薄板两表面质点的振动相位关系，又把l a m b 波分为对称型l a m b 波和 反对称型l a m b 波，分别称为s o ，s l ，s 。和a o ，a l ，a 。，其波形及传播方式【3 2 i 见图 2 2 。这些l a m b 波模式有不同的相速度和群速度。 一 鞣 南京航空航天大学硕士学位论文 ( a ) ( a ) 对称模式( b ) 反对称模式 图2 2 板中l a m b 波传播的对称和反对称模式 在板中l a m b 波的传播路径中，板的整个厚度都在作复杂的振动。当用脉冲波激发 l a m b 波时，它是不同频率的波组成的，速度各不相同，这种合成振动的最大幅度的 传播速度称为群速度。由于l a m b 波是一种频散波，相速度随频率的改变而改变，群 速度与相速度不相等。在厚度为d 的无限大固体自由平板中，l a m b 波频散方程为： 黑：一。嗓 ( 2 t a n ( a d 2 ) ( 2 一口2 ) 2 、一 塑! 型! 型：一生：二生! t a n ( a d 2 ) 4 q 犀2 式中2 = ( ：) - k2 , 肛( z ) - k 2 , k = ( 2 - 3 ) k 为l a m b 波在板中沿平行板的 表面方向传播的波矢，c 。和c 。分别为板材的纵波和横波传播速度，c ，是板中l a m b 波 的相速度，m 为波的角频率，= 2 矿，为波的频率。式( 2 2 ) 为l a m b 波对称模式 的特征方程，式( 2 3 ) 是反对称模式的特征方程。式( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 表达了l a m b 波的相速度c ，与频率一板厚乘积( 简称频积厚) f x d 间的关系，求解式( 2 2 ) 和( 2 - 3 ) 可得到板中l a m b 波的相速度曲线。铝板的l a m b 波相速度理论计算曲线见图2 3 ( a ) ， 图中，s o 表示零阶对称l a m b 波模式，a l 表示一阶反对称l a m b 波模式。 假设一种层合板的厚度为h ，坐标系的中心位于板中心，其中z 轴垂直于板平面， x 轴、y 轴在板内。对各向异性的层合板而言，波传播的散射关系在x 轴方向满足 3 3 , 3 4 1 ： ( d l l k2 + a 5 5 一j 2 ) ( 爿5 5 k 2 一p + 2 ) 一爿品惫2 = 0 ( 2 4 ) 在y 轴方向满足： ( d 2 2 k2 + a 4 4 一c 0 2 ) ( 4 4 4 k2 一p c 0 2 ) 一4 毳七2 = 0 ( 2 5 ) 1 1 基于l a m b 波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究 这里，k 指的是波形个数，m 是中心频率，( 矿，) = = h 2 风l ，z 2 ) d z ，p 是质量密 度，巩是弯曲刚度( i ，j = 1 ，2 或6 ) 。爿口= k , k j r ：( 互。) ，出( i ，j 2 4 ，5 ) 和万( f ，= 4 ，5 ) 均是横剪刚度。岛是剪切修正系数。，指的是层合板的第r 层。对于对称等方性层合 板，在x 轴方向满足以下关系式： ( d l i k 2 + 彳5 5 一肠2 ) ( d 6 6 k 2 + a 4 4 一i r a2 ) ( 爿5 5 k 2 一p + 出2 ) 一( d 1 6 k 2 ) 2 ( 4 5 5 七2 一p + 2 ) 一( 爿5 5 七) 2 ( d 6 6 七2 + 爿4 4 一，2 ) = 0 ( 2 6 ) 在y 轴方向满足： ( d 2 2 k 2 十a 4 4 一i r a 2 ) ( d 6 6 k2 + 4 5 5 一i r a 2 ) ( a 4 4 丘2 一p * o j 2 ) 一( d 1 6 七2 ) 2 ( 爿4 4 七2 一p + 2 ) 一( 4 4 4 七) 2 ( d 6 6 七2 + 爿5 5 一肋2 ) = o ( 2 - 7 波数的求解作为硎k2 的函数。只有频率接近零的解才是正确的解。一旦k 作 为m 的函数已知的话，相速度可定义为： c p = 国k ( 2 8 ) 从而得到群速度： c g ( 2 9 ) 不同l a m b 波传播模式的各自相速度和群速度如图2 3 所示】。 一 氍i ：兰i ：j = = = = i ： f r e q u e n e y m h zf r e q u e n c y m h z ( a )( b ) 图2 3 不同l a m b 波传播模式的相速度和群速度 从图2 3 ( a ) 及( b ) 中可以看出，层合板的频散曲线有如下特点【2 9 l ： 1 ) 除了s o 、a o 模态以外，其他所有( 对称和反对称) 模态均具有截止现象，即 在截止频率以上，该模态是可以传播的；而在截止频率以下，该模态是迅速衰 1 2 假蜘髓粥枷如如仰o ，u-、君l。oiaocl 南京航空航天大学硕士学位论文 减、不能传播的。 2 ) 在某一频率处，会同时产生两个( 或两个以上) 模态，但各个模态的群速度( 相 速度) 各不相同，特别是在高频段，这种情况更明显存在。 3 ) 各个模态都存在频散现象，即群速度随频率的变化而变化。以a l 模态为例， 其最大群速度与最小群速度之差可达3 7 1 4 m m s 。 2 4l a m b 波的激励方法 目前为止还没有一种标准或出现最好的方法在结构中激发l a m b 波。激发的l a m b 波应该对结构中的损伤很敏感，或者能比较容易识别由损伤导致的信号的变化。通常， 有两种方法可用来激发l a m b 波，一种是窄频带激励信号，另外一种是宽频带激励信号。 采用窄带激励信号时，信号的时频分析可用来确定损伤位置。窄带激励方式在许多领 域有着很好的应用前景。但是，由于结构中的损伤可引起信号在传播过程中发生多次 反射和重叠，这种现象使得采用窄带激励方式激发的信号的时频分析变得复杂化了。 宽频带激励方法也可在结构中激发l a m b 波，这种波含有丰富的频率成分。此种激励波 对结构中的各种变化很敏感。但是，宽频带l a m b 波方法比窄频带l a m b 波方法更难解释。 除了激励方式的频率段外，其他因素也非常重要，比如压电元件、中心频率、脉 冲形状、幅度、周期数以及材料性质。 2 4 1 窄频带激励信号 若用于产生l a m b 波主动监测信号的激励信号选取为窄带调制正弦信号，可由以 下关系式得到m 】： u ( o = 爿( 0s i n ( 2 z ：f c t + 妒)( 2 - i 0 ) 其中a ( t ) 是信号的幅度调制，f 为信号中心频率。图2 4 显示了中心频率为1 0 0 k h z 的 n 个波峰的激励信号，可由下列关系式得： “( r ) ：爿【h ( f ) 一h ( f 一”，正) 】 1 一c o s2 ”f c t ) s i n2 z f c t ( 2 一i t ) 仃 其中a 为信号的幅度调制，正为信号中心频率，n 为信号波峰个数，s ( t ) 为h e a v i s i d e 阶梯函数。此激励信号的特点将在第四章做详细介绍。 ( a ) o 3 0 0 3 2 0 0 勺 警1 0 0 0 o 0 20 0 4 05 01 0 01 5 02 0 0 t h n e ( t m )f r e q u e n c y ( k h z ) 图2 4 激励信号时域与频谱图 m 5 o 巧m 一 v 可暑ii厶e 基于l a m b 波主动监测技术的复合材料结构损伤定位研究 2 4 2 宽频带激励信号 脉冲信号可作为宽频带激励信号，比如用脉宽为l o u s 幅度为i o v 的矩形窄脉冲 分别在蜂窝结构和碳纤维结构中激发的l a m b 波如图2 5 所示1 3 7 1 。 ；o j 乏m 星 孝。3 。： ii i 粕jii j 1 - j 1 ，、 | i_u u 、j h ，、 - li l ， ，。l - c 6 o 艺n 2 鼍 =田2 t j c b ， 1 茸 j l l “：l + i 持靛 lj j l j i j 一_ p iu 矸w i i 、j 。 vv o jwj o j 。1- 4 h ilq i l - ： 。；! j iil li i ； ； _ jfl l i i l _ 0n 4 m0 e m 2 m16 m2 m h 】1 ef s ) ( b ) 碳纤维结构 图2 5 两种不同结构下宽频带激发的l a m b 波 2 5 激励信号的优化因素( o p t i m i z a t i o o f e x c i t a t i o f a c t o r s ) 2 5 1 压电元件 为了真正实现l a m b 波在实际结构中的传播，聚偏二氟乙烯( p v d f ) 和压电陶瓷 ( p z t ) 被用来产生和检测l a m b 波。在实际应用中，p v d f 通常被粘结在结构上。p v d f 中的交叉电极模式基质可用于产生理想的l a m b 波并能抑制信号的反射，此种信号反射 的存在使得l a m b 波更难以解释。p v d f 具有较高的介电性、较强的压电性并具有很高的 机械强度和很高的柔韧性等优点，可以做成很薄的膜( 只有2 0 3 0 u m 左右) ，因此它可 以方便地贴在材料或结构的表面或是埋入到材料的内部。但是p v d f 居里温度较低，限 制了使用温度，使其在应用上同样受到很大的限制。压电陶瓷( 锆钛酸铅p z t ) 具有 很高的介电性、较强的压电性和大的机电耦合系数以及体积大、重量轻、精度和分辨 率高、影响范围宽等优点逐渐在光学、电子、航空航天、机械制造、生物工程、机器 人等技术领域得到了广泛应用。因此，在本研究中，我们采用? z t 来激发l a m b 波。一 些不同形状的压电元件被用作激发l a m b 波，比如圆形压电片、长方形压电片等。 2 5 2 中心频率 由图2 3 可知，不同的中心频率会激发出不同的l a m b 波传播模式，在较低频率 下可激发很少的l a m b 波传播模式，中心频率越大，传播模式越多。随着中心频率的 增大，l a m b 波传播模式会越多，使得检测信号更难以分析处理。因此选取最佳的中 心频率对于l a m b 波传播模式的分析尤为重要。通常中心频率的选取是由具体实验环 境决定的。k e s s l e r p ”指出在薄板实验中1 5 k h z 是最佳的中心频率，而对于层合梁结 构最佳的中心频率则为5 0 k h z 。 咖 慧糊窝 蜂 南京航空航天大学硕士学位论文 2 5 3 信号幅度 增大激励信号幅度，l a m b 波幅度也随之增加。实验表明给压电材料施加5 - i 0 v 的电压，则p z t 接收到的响应