發(fā)布時間：2020-09-30 00:21

　　 在針對薄板結(jié)構(gòu)的損傷檢測與評估中,Lamb波場分析方法不僅可精確成像損傷,還能對損傷進行量化評估。然而在采集全波場信號的過程中,受限于Nyquist采樣定律,空間測點間距需小于最小半波長,導致測點數(shù)量龐大,測量過程耗時嚴重,而且采集得到的海量數(shù)據(jù)也給數(shù)據(jù)存儲、傳輸和分析帶來巨大挑戰(zhàn)。基于壓縮感知的Lamb波場稀疏重構(gòu)方法可通過少量空間測點信號精準重構(gòu)出原始波場,然而此類方法均依賴空間上的抖動稀疏采樣(Jittered Sparse Sampling,JSS)策略,抖動采樣具有隨機性,需在現(xiàn)有的掃描式激光多普勒測振儀(Scanning Laser Doppler Vibrometer,SLDV)上增加額外的控制組件,進而增加了系統(tǒng)復雜度和成本。針對上述問題,本文提出了一種基于均勻稀疏采樣(Uniform Sparse Sampling,USS)的Lamb波場重構(gòu)方案,并基于上述波場重構(gòu)過程開發(fā)了一種損傷散射波場分離方法,同時引入了波場RMS成像技術(shù)對重構(gòu)波場數(shù)據(jù)進行處理,從而得到了損傷散射波場的能量分布,據(jù)此對結(jié)構(gòu)損傷做了進一步分析。本文具體內(nèi)容如下:1、闡述了本課題的研究背景與應用意義,并討論了Lamb波無損檢測方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。通過調(diào)研既有的導波場稀疏重構(gòu)方法的研究案例,最終確定了本課題的研究方向和具體內(nèi)容。2、對超聲Lamb波進行理論分析,明晰了Lamb波的多模態(tài)、頻散等傳播特性,并通過數(shù)值計算方法得到了各向同性板的理論頻散曲線。然后從各向同性板中采集線性陣列Lamb波信號,采用二維傅里葉變換法提取出頻散曲線,并與理論頻散曲線進行比較。3、利用Lamb波傳播特性和波場中結(jié)構(gòu)特征稀疏性假設建立了基于壓縮感知的Lamb波場稀疏重構(gòu)模型。為使SLDV測量系統(tǒng)更加便捷地執(zhí)行空間稀疏采樣,本文提出了USS策略,該策略用空間均勻分布的稀疏測點替代抖動采樣產(chǎn)生的測點,而將假定源點的分布設為抖動分布,這樣既保證了波場重構(gòu)的精度,又可突破Nyquist采樣率的限制,極大地提高了Lamb波場信號的獲取效率和數(shù)據(jù)采集的便捷性。為排除激勵源產(chǎn)生的入射波場對損傷分析的干擾,本文基于上述波場重構(gòu)過程開發(fā)了一種損傷散射波場分離方法,該方法將已知激勵源處的假定源激勵函數(shù)做歸零處理,以新的假定源激勵函數(shù)來重構(gòu)波場,從而獲得損傷散射波場。在重構(gòu)波場數(shù)據(jù)的后處理過程中引入RMS成像技術(shù),得到了Lamb波場的能量分布,并據(jù)此對損傷尺寸進行估計,進一步完善了Lamb波場稀疏重構(gòu)技術(shù)框架。4、通過數(shù)值模擬建立了存在單個損傷的各向同性板模型,以USS策略在該模型上采集Lamb波數(shù)據(jù)并進行波場重構(gòu)與損傷成像,驗證了本文所提出的波場重構(gòu)方案的可行性,并在損傷定位精度、波場重構(gòu)精度和計算耗時等方面與JSS波場重構(gòu)結(jié)果做了比較分析,結(jié)果表明本文所提出的方案在采樣率較低的情況下可達到與已有的方法同等的效果。對USS所對應的Lamb波場重構(gòu)數(shù)據(jù)進行損傷散射波場分離處理和RMS成像,計算結(jié)果表明,損傷散射波場可從原始波場中成功提取出來,利用損傷散射波場的RMS成像結(jié)果可對損傷尺寸進行估計,估計結(jié)果的相對誤差為16%,絕對誤差約為計算頻帶內(nèi)最小波長的四分之一。5、在含單個損傷的各向同性板模型上對稀疏采樣點數(shù)M、假定源點數(shù)S與噪聲水常數(shù)?進行研究,得到了波場重構(gòu)的最佳參數(shù)取值區(qū)間。在上述模型的基礎上設置更加復雜的損傷,利用USS策略和優(yōu)化參數(shù)進行采樣和計算,得到了準確的損傷成像與波場重構(gòu)結(jié)果,驗證了本文所提出的波場重構(gòu)方案及損傷分析方法在復雜損傷情況下的檢測效果。6、搭建PZT激勵/SLDV傳感實驗平臺,利用USS策略在鋁板試件上采集Lamb波數(shù)據(jù)進行波場重構(gòu),將重構(gòu)結(jié)果與JSS重構(gòu)波場進行對比,使用損傷散射波場分離方法提取出損傷散射波場,并對之進行了RMS成像。實驗結(jié)果表明,本文所提出的重構(gòu)方案可達到與JSS相同的重構(gòu)精度,USS策略相較于JSS更易在實驗中實現(xiàn),可使得全波場的獲取時間減少90%以上,極大地提高了全波場拾取的效率和數(shù)據(jù)采集的便捷性。同時可從損傷散射波場的RMS成像結(jié)果中估計出損傷尺寸,其相對誤差為20%。7、對本文的研究工作做出總結(jié),并指出下一步研究的方向。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O346.5
【部分圖文】：

課題背景與研究意義盡管現(xiàn)代先進的工業(yè)制造技術(shù)已經(jīng)能夠充分保證工程結(jié)構(gòu)在強度、剛度和穩(wěn)定性等求，但工程結(jié)構(gòu)部件在制造、運輸和組裝過程中難免會在內(nèi)部形成缺陷，且工程結(jié)役于嚴苛的工作環(huán)境中，這進一步增加了缺陷和損傷出現(xiàn)的概率。如圖 1.1 所示為試件在荷載作用下?lián)p傷出現(xiàn)和擴展的過程[1]。工程結(jié)構(gòu)中缺陷或損傷若未及時被檢，將可能進一步累積和擴展，最終造成結(jié)構(gòu)失效破壞，甚至導致嚴重的人員傷亡、以及巨大的經(jīng)濟損失。例如 1998 年德國 ICE 高速列車脫軌事件（圖 1.1（a））造成亡，該事故的主因是車輪金屬疲勞引發(fā)的結(jié)構(gòu)失效[2]。又如 2009 年美國大陸航空公勤飛機墜毀（圖 1.1（b））導致飛機上所有乘客及機組人員遇難，據(jù)報道該事件是由翼局部損傷未被及時發(fā)現(xiàn)，損傷長期積累所致[3]。諸如此類的事件在工程史上屢有如何保障工程結(jié)構(gòu)的安全性與完整性，確保工程結(jié)構(gòu)在安全狀態(tài)下服役，是當代工作者需要應對的重要挑戰(zhàn)之一。

該事故的主因是車輪金屬疲勞引發(fā)的結(jié)構(gòu)失效[2]。又如 2009 年美國大陸航空飛機墜毀（圖 1.1（b））導致飛機上所有乘客及機組人員遇難，據(jù)報道該事件是局部損傷未被及時發(fā)現(xiàn)，損傷長期積累所致[3]。諸如此類的事件在工程史上屢有何保障工程結(jié)構(gòu)的安全性與完整性，確保工程結(jié)構(gòu)在安全狀態(tài)下服役，是當代者需要應對的重要挑戰(zhàn)之一。圖 1.1 復合材料試件在荷載作用下的損傷擴展過程Fig.1.1Damage propagation of composite specimen under loading

基于壓縮感知的 Lamb 波場稀疏重構(gòu)與損傷成像研究損檢測與評估(Nondestructive Testing and Evaluation, NDT&E)技術(shù)在人類解決上中應運而生。NDT&E 根本目標在于通過多種無損檢測方法來評估工程結(jié)構(gòu)的狀況，不僅旨在防止重要結(jié)構(gòu)發(fā)生災難性事故，還將在預測結(jié)構(gòu)剩余壽命和降方面發(fā)揮更顯著的作用[4]。NDT&E 方法在工作過程中采用各種先進的檢測設備結(jié)構(gòu)損傷/缺陷影響的物理量，利用損傷/缺陷引起的物理或化學變化，對試件內(nèi)態(tài)及損傷/缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進行檢無損檢測方法有以下幾種：目測法、超聲檢測法、射線檢測法、聲發(fā)射檢測法、滲透檢測法、渦流檢測法、紅外熱成像法、光全息照相及微波檢測法等[8]。其各自的適用范圍和優(yōu)缺點，其中超聲檢測法(Ultrasonic Testing, UT)由于具有人體無害且易于實現(xiàn)自動化等諸多優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的無損檢測方法之

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本文編號：2830474