复合材料损伤监测中超声相控阵误差建模与修正方法研究

In the ultrasonic phased array damage monitoring of real complex composite structures, the existence of multiple array errors and the anisotropy of complex composite structures will result in a large deviation between the array superimposed composite beam and the ideal value, which will seriously affect the accurate location of ultrasonic phased array damage imaging. In this project, a high-precision damage location method is proposed, which combines the error correction of ultrasonic phased array and the dispersion nonlinear phase correction. By studying various array error models of ultrasonic phased array, an array correction algorithm suitable for various array errors and far-field and near-field is established to solve the problem of inaccurate damage location angle of ultrasonic phased array. By studying the propagation characteristics of Lamb wave in complex composite materials, a dispersion nonlinear phase error correction method based on wave velocity correction is established to solve the problem of inaccurate damage location of ultrasonic phased array. In this project, the array error correction and nonlinear phase error correction methods are first introduced into the ultrasonic phased array damage monitoring, so as to realize the high-precision damage location of complex composite structures. The research of this project applies the new array signal processing technology to the structural damage monitoring of complex composite materials, which is of great significance for promoting the engineering application of structural health monitoring.

真实复杂复合材料结构超声相控阵损伤监测中，多种阵列误差同时存在和复杂复合材料结构的各向异性都会造成阵列叠加合成波束与理想值存在较大偏差，严重影响超声相控阵损伤成像精确定位。本项目提出一种复合材料结构超声相控阵列误差校正与频散非线性相位校正方法相结合的高精度损伤定位方法。通过研究超声相控阵多种阵列误差模型，建立适用于多种阵列误差及远、近场的阵列校正算法，解决超声相控阵损伤定位角度不准确问题；通过研究复杂复合材料Lamb波传播特性，建立基于波速修正的频散非线性相位误差校正方法，解决超声相控阵损伤距离定位不精确问题。本项目将阵列误差校正及非线性相位误差校正方法首次引入到超声相控阵损伤监测中，从而实现复杂复合材料结构超声相控阵损伤的高精度定位。本项目的研究，将新型阵列信号处理技术应用于复杂复合材料结构损伤监测中，对推动结构健康监测的工程应用具有重要的意义。

面向超声相控阵损伤监测方法在航空复杂复合材料结构中的应用，本项目系统地研究了复合材料损伤监测中阵列误差建模与修正方法。取得主要成果如下：.1）针对结构健康监测系统不确定因素对复合材料超声相控阵损伤成像的影响，结合有限元模型和实验研究，揭示了阵元位置误差、加筋结构以及时变环境对超声导波阵列各个阵元接收信号的影响规律。.2）针对压电传感器阵列中阵元位置偏差问题、加筋复合材料板中信号传播路径不一致导致阵列误差问题、阵列模型中点信号源的不确定性误差问题、时变环境因素等阵列误差，建立了阵列信号幅相误差模型，并提出了基于自适应阵列误差校正的冲击定位方法，有效地提高了冲击及损伤定位精度和分辨率。.3）针对曲面复合材料结构中曲率变化导致的弧线传递误差，建立近场弧线下的Lamb波传播模型，提出了压电超声导波阵列的在线监测方法，选取压力容器封头结构，通过建立有限元模型提取压力容器损伤散射波的阵列稀疏特征，并实现结构损伤成像。.4）针对Lamb波在复杂结构中传播的频散和混叠现象，研究了基于Gabor小波变换的信号预处理方法，有效地提取与信号源相关的单模式信号；结合自适应阵列误差校正模型重构协方差矩阵实现非线性相位误差校正，并以加筋复合材料曲板进行了实验验证。.通过以上研究，发表SCI期刊论文6篇，EI期刊论文3篇，中文核心期刊论文1篇；国际会议分组报告2次；申请发明专利4项，其中授权2项。