板状蜂窝结构脱粘损伤的超声无损评价

论文摘要

板状蜂窝结构是一种由上下蒙皮及中间蜂窝芯粘接组成的复合材料结构,它具有高比强度、高比刚度和高能量吸收能力等优点,具有良好的抗冲击和减震性能,被广泛应用于基础设施、航空航天和汽车工业等领域。由于制造工艺、使用年限、反复加载等原因,蜂窝芯与蒙皮之间会产生脱粘损伤,从而危及结构的安全。为了避免结构的进一步损坏与失效,在损伤早期有效识别损伤位置和损伤程度是十分必要的。超声导波具有传播距离长、检测速度快、对于结构内部损伤敏感等优点,被广泛应用于结构无损评价中。因此利用超声导波开展板状蜂窝结构脱粘损伤的无损评价研究具有较大的学术意义与应用价值。本文基于特征频率法,利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立了实际的板状蜂窝结构单胞模型,绘制了导波的群速度频散曲线;建立了板状蜂窝结构的三维模型,模拟了导波在有、无脱粘损伤情况下的传播规律,研究了脱粘损伤对导波传播的影响;建立了存在不同脱粘损伤面积的板状蜂窝结构模型,研究了脱粘尺寸对导波传播的影响规律。最后,利用Polytec激光测振试验系统,进行了板状蜂窝结构中脱粘损伤的试验研究。在试验研究中,通过引入损伤指数(Damage Index,DI),利用人工神经网络算法,将模拟得到的数据进行训练并结合试验测试数据,实现对脱粘损伤的定位与定量识别。研究结果表明:1.基于特征频率法,可以利用有限元软件建立实际板状蜂窝结构单胞模型,并且能够通过计算分析得到导波在板状蜂窝结构中的群速度频散曲线。2.导波在粘接完好的板状蜂窝结构中传播时,存在部分能量向蜂窝芯泄露,出现漏波现象;导波在含脱粘损伤的板状蜂窝结构中传播时,在脱粘位置导波各模态幅值均有所增加,其中A0模态幅值增长最明显。因此,根据A0模态波长最短、对小尺寸的脱粘损伤最为敏感的特点,可以利用A0模态幅值的变化对脱粘损伤进行超声无损检测与评价。3.随着脱粘面积增大,A0模态的幅值显著增加,同时损伤指数也会增大。因此,可以引入损伤指数作为定性判断脱粘损伤程度的一种指标,损伤指数DI比A0模态幅值对脱粘损伤程度的表征更加灵敏稳定。4.基于Polytec激光测振试验系统采集到导波在板状蜂窝结构中的传播信号分析表明,AO模态幅值与损伤指数DI均随脱粘面积的增大而变大,但损伤指数DI变化更加明显,对脱粘损伤的表征更加稳定精确。利用有限元模拟得到的数据对人工神经网络模型进行训练,结合训练后的神经网络算法与试验测试结果,可更有效地识别脱粘损伤的位置,以及评价脱粘损伤的程度。神经网络算法与损伤概率算法对损伤的识别精度相当,增加训练样本量可提高神经网络算法的精度。神经网络算法有助于今后无损检测向智能化方向发展。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 超声导波无损检测技术研究进展
•     1.2.1 超声导波无损检测理论研究进展
•     1.2.2 超声导波无损检测试验研究进展
•     1.2.3 板状蜂窝结构无损检测的研究进展
•   1.3 研究目的与内容
• 2 板状结构中的导波
•   2.1 引言
•   2.2 固体板中的导波
•     2.2.1 导波的定义及类型
•     2.2.2 相速度与群速度
•     2.2.3 导波的频散与多模态特征
•   2.3 板状蜂窝结构中的导波
•     2.3.1 频散特性
•     2.3.2 漏波特性
•   2.4 本章小结
• 3 板状蜂窝结构脱粘损伤识别的有限元模拟
•   3.1 引言
•   3.2 板状蜂窝结构脱粘损伤的导波传播模拟
•     3.2.1 模型建立
•     3.2.2 激励信号的选取
•     3.2.3 网格尺寸及时间步长的确定
•     3.2.4 完好蜂窝结构中导波传播的结果分析
•     3.2.5 脱粘损伤对导波传播的影响
•   3.3 神经网络算法
•     3.3.1 神经网络的概念及特点
•     3.3.2 神经网络结构
•     3.3.3 激活函数
•     3.3.4 误差反向传播算法在神经网络中的实现
•     3.3.5 神经网络的学习与训练过程
•   3.4 神经网络算法对模型的学习与训练
•     3.4.1 基于损伤指数的信号处理
•     3.4.2 基于概率椭圆法的信号处理
•     3.4.3 模型的训练与验证
•   3.5 脱粘尺寸大小对导波传播的影响
•   3.6 本章小结
• 4 板状蜂窝结构脱粘损伤评价的试验研究
•   4.1 引言
•   4.2 板状蜂窝结构试件
•   4.3 试验系统
•     4.3.1 激光测振仪
•     4.3.2 激励压电片
•   4.4 试验方法
•     4.4.1 激励信号的产生
•     4.4.2 导波的激励与接收
•   4.5 试验结果
•     4.5.1 脱粘损伤对蜂窝板中导波传播的影响
•     4.5.2 脱粘尺寸对蜂窝板中导波传播的影响
•   4.6 基于损伤指数的脱粘损伤评价
•     4.6.1 基于损伤指数的信号处理
•     4.6.2 基于损伤指数的脱粘损伤成像
•   4.7 脱粘损伤的定位分析
•     4.7.1 单个脱粘损伤的定位
•     4.7.2 多个脱粘损伤的定位
•   4.8 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐浩

导师: 税国双

关键词: 导波,蜂窝结构,频散曲线,无损检测,神经网络算法

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,材料科学,工业通用技术及设备

单位: 北京交通大学

基金: 国家自然科学基金(项目批准号:11472039)

分类号: TB33;TB559

总页数: 95

文件大小: 10852K

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