基于EMI的导弹弹体结构典型损伤的定量识别方法研究

为了解决当前导弹弹体结构损伤没有有效的在线监测手段的难题，本项目将压电阻抗（EMI，Electro-mechanical impedance）方法引入到导弹弹体典型结构损伤在线监测中，通过研究压电智能结构的力电耦合效应、压电材料与损伤结构相互作用，建立含损伤参数的简单压电智能结构EMI响应解析模型以及复杂压电智能结构EMI响应有限元模型；分析典型损伤的EMI响应特点，采用主成分分析方法提取不同损伤类型的EMI信号特征，进而研究基于EMI信号特征和支持向量机的损伤类型识别方法；结合EMI分析模型，研究基于粒子群智能算法的损伤参数定量识别方法；为了提高复杂结构损伤识别效率，探索将矩阵摄动理论应用于损伤识别过程的方法。拟取得的成果可以为导弹弹体在线监测提供理论和方法基础，还可以应用于飞机、无人机重要部件、混泥土等的损伤监测中，具有广泛的应用前景。

基于压电阻抗（Electro-mechanical impedance，EMI）法的损伤识别由于其技术优势近年来被广泛研究，但损伤定量识别由于难度大研究成果很少。本项目建立了压电智能结构的EMI相应模型，并以所建EMI模型为基础进行了损伤类型、损伤位置和损伤程度定量识别研究。研究压电智能梁结构的力电耦合作用机理，考虑压电片的惯性力和粘结层作用，建立了精确的压电智能梁结构EMI响应分析模型。通过理论计算与实验比较，验证了所建模型的精确性和有效性。针对已有压电智能梁结构EMI响应模型不能适用于任意弹性边界情况的缺陷，提出了任意弹性边界含损伤压电智能梁结构EMI响应模型；实验验证了所建模型的精确性和有效性。针对已有压电智能板结构EMI响应模型不能适用于任意弹性边界条件的缺陷，对压电片与板结构的力电耦合作用机理进行研究，建立了任意弹性边界含损伤压电智能薄板结构的纯弯曲振动EMI响应模型和平面振动EMI响应模型，并通过实验进行了验证。针对复杂压电智能结构难以采用解析方法进行EMI响应分析的问题，本文研究了两种基于有限元法的压电智能结构EMI响应分析方法。第一种方法采用有限元方法直接对压电智能结构进行力电耦合分析，得到压电片的电导纳；另一种方法是先建立压电片电导纳与被测结构机械阻抗之间的解析关系，然后通过有限元方法计算出结构的机械阻抗，将机械阻抗代入解析式中得到压电片的电导纳。通过仿真和实验验证了两种方法的可行性和有效性，并比较了两种方法的优劣，为复杂压电智能结构的EMI响应分析提供基础。为了得到结构的精确损伤参数，本文提出了基于EMI响应模型和量子粒子群算法相结合的结构损伤定量识别方法，采用本文提出的识别方法应用于梁结构、板结构以及较为复杂的多孔板结构的损伤识别，成功的识别出结构的损伤类型、损伤位置和损伤程度，识别精度高，验证了所提的损伤识别方法的可行性和有效性。