结构早期微损伤的非线性Lamb波成像监测研究

Research on structural health monitoring based on nonlinear Lamb waves and PZT array is proposed in this project, targeting inchoate micro damages in complex structure. Some fundamental issues, such as propagation theory of nonlinear Lamb waves, advanced integrated sensing technology and damage monitoring and imaging methods by nonlinear characteristic parameters, will be addressed. The research work will focus on the following aspects: the generation and propagation mechanism of nonlinear Lamb waves with multi-mode and dispersive characteristics, the influence of structural damages and varities on the propagation and charateristic parameters of nonlinear Lamb waves, optimal modulation for excitation and collection of desired modes of nonlinear Lamb waves based on PZT sensors, charateristic parameters and evaluation of cumulative second harmonic Lamb waves, PZT array monitoring methodology and structural damages monitoring and imaging techniques based on charateristic parameters of nonlinear Lamb waves, design and validation of monitoring system. This project will greatly benefit the online monitoring, evaluation and warning of inchoate and micro-scale damages for complex structures. It is very meaningful for the safety and protection of the critical facilities and structures.

本项目针对真实结构早期微观损伤，研究基于压电阵列与非线性Lamb波的结构健康监测技术，对非线性Lamb波传播理论、先进集成化传感技术以及非线性特征参数损伤成像监测方法等若干基础问题开展研究。主要研究内容包括：具有多模及频散特性的非线性Lamb波产生机理与传播特性，结构损伤及状态变化对非线性Lamb波传播特性和参数的影响；基于压电元件的非线性Lamb波多模式激励与传感最优调制；具有累积效应的非线性Lamb波二次谐波信号特征参数的提取与评价方法；基于非线性Lamb波特征参数的压电阵列监测策略及结构损伤成像监测与评估技术；监测系统设计与验证。本项目为实现真实结构微尺度早期结构损伤的在线监测、评估与预警，提供新的思路，对于关键结构和基础设施的安全与保障具有重要意义。

结题摘要.本项目在国家自然科学基金的资助下，针对疲劳裂纹等微结构损伤监测问题，研究非线性Lamb波结构损伤监测机理和方法，主要的研究工作包括以下几方面：（1）对非线性Lamb波传播规律与特性进行了理论分析和建模仿真。由于Lamb波传播过程中存在频散及多模复杂特性，非线性Lamb波信号的激发、传播与捕获较为困难，根据已有研究成果，重点对具有累加效应的非线性二阶谐波信号的激励、传播过程进行了研究，尤其是对结构疲劳和裂纹损伤的响应机理进行了建模仿真和实验研究，验证了非线性Lamb波对损伤的良好响应；（2）采用分布式压电传感阵列技术，对非线性Lamb波的激励/传感最优调制方法进行了研究，通过调整压电传感器的参数、胶层参数等，使得不同结构中的非线性Lamb波信号传播能量最大，提高信号捕获的准确性；（3）采用时频分析技术，对非线性Lamb波信号特征参数的提取方法进行了分析研究，并结合压电阵列方法，研究了损伤监测策略成像方法，实现了初步的结构疲劳损伤评估。同时，针对裂纹损伤形成后易快速扩展问题，进一步深入研究了裂纹损伤的定量评估与跟踪方法，对裂纹损伤的方向、长度等信息进行准确监测，监测精度达到了厘米级，方向误差小于20度。（4）采用虚拟仪器技术平台，根据非线性Lamb波信号激发、传播以及传感特性，设计开发了非线性Lamb波结构健康监测实验系统，包括自主设计开发的信号调理模块等。在此基础上对理论研究成果进行了验证。与此同时，针对典型工程应用，以我国高铁转向架结构为对象，设计开发了工程化的Lamb波结构在线损伤监测与诊断系统，并在国产某最新型高铁列车上进行了实际运行测试，准确实现了关键工程结构损伤的在线监测与成像，获得了较好的测试结果和运行效果。本项目的实施和研究成果进一步验证了采用非线性Lamb波对结构早期微损伤进行监测的可行性、可靠性和准确性，并持续深化了非线性Lamb波结构损伤监测方法相关的传感器技术、信号处理技术、损伤成像与评估方法等，开发了基于通用测试平台的非线性Lamb波结构损伤监测实验系统，研究成果具有重要的理论意义和应用前景。