在針對(duì)薄板結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)與評(píng)估中,Lamb波場(chǎng)分析方法不僅可精確成像損傷,還能對(duì)損傷進(jìn)行量化評(píng)估。然而在采集全波場(chǎng)信號(hào)的過程中,受限于Nyquist采樣定律,空間測(cè)點(diǎn)間距需小于最小半波長(zhǎng),導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)數(shù)量龐大,測(cè)量過程耗時(shí)嚴(yán)重,而且采集得到的海量數(shù)據(jù)也給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和分析帶來巨大挑戰(zhàn)。基于壓縮感知的Lamb波場(chǎng)稀疏重構(gòu)方法可通過少量空間測(cè)點(diǎn)信號(hào)精準(zhǔn)重構(gòu)出原始波場(chǎng),然而此類方法均依賴空間上的抖動(dòng)稀疏采樣(Jittered Sparse Sampling,JSS)策略,抖動(dòng)采樣具有隨機(jī)性,需在現(xiàn)有的掃描式激光多普勒測(cè)振儀(Scanning Laser Doppler Vibrometer,SLDV)上增加額外的控制組件,進(jìn)而增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。針對(duì)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(chǎng)重構(gòu)方案,并基于上述波場(chǎng)重構(gòu)過程開發(fā)了一種損傷散射波場(chǎng)分離方法,同時(shí)引入了波場(chǎng)RMS成像技術(shù)對(duì)重構(gòu)波場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而得到了損傷散射波場(chǎng)的能量分布,據(jù)此對(duì)結(jié)構(gòu)損傷做了進(jìn)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(yīng)用意義,并討論了Lamb波無損檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。通過調(diào)研既有的導(dǎo)波場(chǎng)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(duì)超聲Lamb波進(jìn)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(jì)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(hào),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(jìn)行比較。3、利用Lamb波傳播特性和波場(chǎng)中結(jié)構(gòu)特征稀疏性假設(shè)建立了基于壓縮感知的Lamb波場(chǎng)稀疏重構(gòu)模型。為使SLDV測(cè)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(cè)點(diǎn)替代抖動(dòng)采樣產(chǎn)生的測(cè)點(diǎn),而將假定源點(diǎn)的分布設(shè)為抖動(dòng)分布,這樣既保證了波場(chǎng)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(chǎng)信號(hào)的獲取效率和數(shù)據(jù)采集的便捷性。為排除激勵(lì)源產(chǎn)生的入射波場(chǎng)對(duì)損傷分析的干擾,本文基于上述波場(chǎng)重構(gòu)過程開發(fā)了一種損傷散射波場(chǎng)分離方法,該方法將已知激勵(lì)源處的假定源激勵(lì)函數(shù)做歸零處理,以新的假定源激勵(lì)函數(shù)來重構(gòu)波場(chǎng),從而獲得損傷散射波場(chǎng)。在重構(gòu)波場(chǎng)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(chǎng)的能量分布,并據(jù)此對(duì)損傷尺寸進(jìn)行估計(jì),進(jìn)一步完善了Lamb波場(chǎng)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(gè)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(jìn)行波場(chǎng)重構(gòu)與損傷成像,驗(yàn)證了本文所提出的波場(chǎng)重構(gòu)方案的可行性,并在損傷定位精度、波場(chǎng)重構(gòu)精度和計(jì)算耗時(shí)等方面與JSS波場(chǎng)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(dá)到與已有的方法同等的效果。對(duì)USS所對(duì)應(yīng)的Lamb波場(chǎng)重構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行損傷散射波場(chǎng)分離處理和RMS成像,計(jì)算結(jié)果表明,損傷散射波場(chǎng)可從原始波場(chǎng)中成功提取出來,利用損傷散射波場(chǎng)的RMS成像結(jié)果可對(duì)損傷尺寸進(jìn)行估計(jì),估計(jì)結(jié)果的相對(duì)誤差為16%,絕對(duì)誤差約為計(jì)算頻帶內(nèi)最小波長(zhǎng)的四分之一。5、在含單個(gè)損傷的各向同性板模型上對(duì)稀疏采樣點(diǎn)數(shù)M、假定源點(diǎn)數(shù)S與噪聲水常數(shù)?進(jìn)行研究,得到了波場(chǎng)重構(gòu)的最佳參數(shù)取值區(qū)間。在上述模型的基礎(chǔ)上設(shè)置更加復(fù)雜的損傷,利用USS策略和優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行采樣和計(jì)算,得到了準(zhǔn)確的損傷成像與波場(chǎng)重構(gòu)結(jié)果,驗(yàn)證了本文所提出的波場(chǎng)重構(gòu)方案及損傷分析方法在復(fù)雜損傷情況下的檢測(cè)效果。6、搭建PZT激勵(lì)/SLDV傳感實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用USS策略在鋁板試件上采集Lamb波數(shù)據(jù)進(jìn)行波場(chǎng)重構(gòu),將重構(gòu)結(jié)果與JSS重構(gòu)波場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比,使用損傷散射波場(chǎng)分離方法提取出損傷散射波場(chǎng),并對(duì)之進(jìn)行了RMS成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提出的重構(gòu)方案可達(dá)到與JSS相同的重構(gòu)精度,USS策略相較于JSS更易在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn),可使得全波場(chǎng)的獲取時(shí)間減少90%以上,極大地提高了全波場(chǎng)拾取的效率和數(shù)據(jù)采集的便捷性。同時(shí)可從損傷散射波場(chǎng)的RMS成像結(jié)果中估計(jì)出損傷尺寸,其相對(duì)誤差為20%。7、對(duì)本文的研究工作做出總結(jié),并指出下一步研究的方向。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(jìn)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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等求，但工程結(jié)構(gòu)部件在制造、運(yùn)輸和組裝過程中難免會(huì)在內(nèi)部形成缺陷，且工程結(jié)役于嚴(yán)苛的工作環(huán)境中，這進(jìn)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(kuò)展的過程[1]。工程結(jié)構(gòu)中缺陷或損傷若未及時(shí)被檢，將可能進(jìn)一步累積和擴(kuò)展，最終造成結(jié)構(gòu)失效破壞，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡、以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如 1998 年德國(guó) 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(guó)大陸航空公勤飛機(jī)墜毀（圖 1.1（b））導(dǎo)致飛機(jī)上所有乘客及機(jī)組人員遇難，據(jù)報(bào)道該事件是由翼局部損傷未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，損傷長(zhǎng)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(dāng)代工作者需要應(yīng)對(duì)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(guó)大陸航空飛機(jī)墜毀（圖 1.1（b））導(dǎo)致飛機(jī)上所有乘客及機(jī)組人員遇難，據(jù)報(bào)道該事件是局部損傷未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，損傷長(zhǎng)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(dāng)代者需要應(yīng)對(duì)的重要挑戰(zhàn)之一。圖 1.1 復(fù)合材料試件在荷載作用下的損傷擴(kuò)展過程Fig.1.1Damage propagation of composite specimen under loading

基于壓縮感知的 Lamb 波場(chǎng)稀疏重構(gòu)與損傷成像研究損檢測(cè)與評(píng)估(Nondestructive Testing and Evaluation, NDT&E)技術(shù)在人類解決上中應(yīng)運(yùn)而生。NDT&E 根本目標(biāo)在于通過多種無損檢測(cè)方法來評(píng)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(zāi)難性事故，還將在預(yù)測(cè)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(jìn)的檢測(cè)設(shè)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(xué)變化，對(duì)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(jìn)行檢無損檢測(cè)方法有以下幾種：目測(cè)法、超聲檢測(cè)法、射線檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法、滲透檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法、紅外熱成像法、光全息照相及微波檢測(cè)法等[8]。其各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，其中超聲檢測(cè)法(Ultrasonic Testing, UT)由于具有人體無害且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的無損檢測(cè)方法之

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本文編號(hào)：2830474