飛行器關鍵構件的超聲導波損傷診斷成像方法研究.pdf

1、飛行器對效率和安全的追求是永恒的，因而對航空航天飛行器結構的性能要求日益提高，結構趨于大型化和復合材料化，安全性問題日益突出。利用嵌入式的智能傳感網(wǎng)絡，實時監(jiān)測、診斷和評價結構健康狀況是提高飛行器可靠性、安全性和先進性的重要技術手段。損傷引起的結構失效是結構健康監(jiān)測技術預防和關注的重點。與傳統(tǒng)超聲波相比，超聲導波更適合于板狀或管狀飛行器關鍵構件的大面積損傷監(jiān)測，相關研究受到研究者越來越多的關注。近幾年來，研究者們在金屬/復合材料平板和大

2、口徑管狀金屬構件上開展了大量超聲導波損傷監(jiān)測研究，發(fā)展了多種能直觀反映損傷位置的診斷成像方法。但由于超聲導波的傳播具有多模態(tài)、頻散等特性，其導波信號處理解釋的難度與結構復雜度息息相關，目前導波技術的損傷監(jiān)測效率和精度尚且不足，使得其在大面積薄壁復雜構件和飛行器管路系統(tǒng)等真實飛行器關鍵構件應用方面的研究還相對滯后。因此，進一步探索真實飛行器關鍵構件上的超聲導波損傷診斷成像方法有助于推動飛行器結構健康監(jiān)測的工程應用。
　　本文的目的是

3、基于加權分布診斷成像方法進一步發(fā)展損傷定位和尺寸評估的各項關鍵技術，提高稀疏傳感網(wǎng)絡的損傷定位精度，探索可用于飛行器復雜結構的高效率、高精度損傷診斷新策略和新方法。為此，本文從診斷成像的影響因素分析和傳感網(wǎng)絡優(yōu)化，飛行器大面積薄壁復雜構件損傷診斷和管路周向裂紋診斷成像技術等方面開展了深入研究。文章的研究內容和結果主要包括:
　　(1)在加筋肋復合材料板上，對加權分布診斷成像不同參數(shù)組合的損傷定位精度進行了研究，結果表明加權分布診斷

4、成像中監(jiān)測中心頻率、傳感路徑網(wǎng)絡和路徑加權因子會顯著影響損傷定位的精度。為抑制監(jiān)測中心頻率選擇的影響，提出了一種多頻率綜合診斷成像方法，通過融合多頻率的診斷圖像可提高了損傷定位精度和可靠性。分析了傳感路徑網(wǎng)絡對不同位置損傷的定位結果，發(fā)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡布設差異造成的“過度加權”現(xiàn)象。這種“過度加權”會造成加權分布診斷成像的監(jiān)測靈敏度對不同位置損傷存在差異，嚴重時會降低損傷定位精度，甚至產生“偽損傷”誤診。為抑制加權分布診斷成像的“過度加權”

5、，提出了基于單位權值分布函數(shù)的傳感網(wǎng)絡優(yōu)化方法。對加權分布診斷成像相關影響因素的深入分析也為后續(xù)改進該成像方法奠定了基礎。
　　(2)深入分析了大面積薄壁復雜結構損傷定量化面臨的挑戰(zhàn)，討論了其應對策略。提出了一種基于權值補償?shù)母倪M加權分布診斷成像方法，在加筋肋復合材料板上對該方法進行了實驗研究，對比了改進前后的損傷定位結果，并對診斷成像的相關參數(shù)進行了分析。提出了一種基于診斷圖像峰值的損傷尺寸評估方法，在加筋肋復合材料板上對損傷嚴

6、重程度與診斷圖像峰值的關聯(lián)性進行了研究，得到了兩者的關聯(lián)模型，依據(jù)模型對不同大小的若干損傷進行測試來驗證方法的有效性。提出了一種多損傷因子綜合評價機制來進一步提高損傷定位的精度和可靠性，最后在復合材料機身壁板原型結構上對上述方法進行了實驗研究。
　　(3)對超聲導波在飛行器管路中傳播特性進行了分析，結果表明蘭姆波近似理論對小管徑圓管不再適用。提出了一種可提高飛行器管路焊縫周向裂紋識別能力的超聲導波損傷診斷成像技術，該技術通過評價傳