【摘 要】
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复合板是一种非常重要的结构构件,因其损伤导致工程事故和经济损失时常发生。复合板层间剥离是其最常见的损伤类型,主要诱发因素是其层间水平向微裂缝的产生与发展,所以及时准确地识别复合板中水平向微裂缝意义重大。通过理论分析、有限元计算及试验验证相结合的方法,并采用基于压电波动法的非线性超声Lamb波检测技术,进行复合板层间微剥离损伤的识别,旨在阐明因微剥离损伤诱发二次谐波的机理,并提出一种基于传感信号非线
【基金项目】
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国家自然科学基金(51278313);
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复合板是一种非常重要的结构构件,因其损伤导致工程事故和经济损失时常发生。复合板层间剥离是其最常见的损伤类型,主要诱发因素是其层间水平向微裂缝的产生与发展,所以及时准确地识别复合板中水平向微裂缝意义重大。通过理论分析、有限元计算及试验验证相结合的方法,并采用基于压电波动法的非线性超声Lamb波检测技术,进行复合板层间微剥离损伤的识别,旨在阐明因微剥离损伤诱发二次谐波的机理,并提出一种基于传感信号非线性系数的复合板微剥离损伤的识别方法。主要内容包括以下几个方面:(1)利用理论分析方法,研究了薄板中二次谐波的主要来源。首先,通过薄板结构的一维波动方程与非线性材料本构关系,推导出了二阶非线性系数表达式,并建立起了传感信号与二阶非线性系数之间的联系;然后,解释了非线性系数的物理意义,并分析了微损伤-非线性系数-非线性超声信号之间的内在联系;最后,从微观角度,利用非线性系数对结构微损伤进行了描述,进而解释了接触声非线性效应产生的原理。(2)通过理论分析和赋值计算相结合的方法,研究了Lamb波在复合板中波动行为及传播规律。推导出了各向同性材料单层板的频散方程,并经赋值后绘制出了理论频散曲线;类似地,绘制出了Lamb波在复合板构件中传播的理论频散曲线,并将理论结果与有限元模拟结果相比对,验证了频散曲线与有限元模型的有效性。(3)采用有限元法,研究了微剥离损伤几何性能诱发二次谐波的机理。对复合板微裂缝的宽度、长度和激励信号的幅值、频厚积等参数对超声Lamb非线性系数的影响进行模拟分析。结果表明,剥离损伤诱发二次谐波机理,微观上表现为裂缝上下界面发生碰撞,同时,Lamb波信号与剥离边界发生相互作用所引起的。由于发生了模式转换,二次谐波分量增大,相应的非线性系数值β也相应增大。宏观上表现出剥离处最大接触面积与非线性系数值β关系一定的规律性,即最大接触面积越大,非线性系数值β也相应增大。基于超声Lamb非线性系数的微剥离识别方法是可行的。(4)提出了一种基于二次谐波的复合板微剥离识别检测方法及操作过程。基于二次谐波的产生机理,提出了一种基于传感信号非线性系数的复合板微剥离识别方法:首先对损伤复合板进行扫频检测并选出合适的激振频率;然后,根据被检测对象尺寸,选择激振幅值以保证剥离界面有效接触及传感器接收效果;最后,通过频域分析和损伤指标,进行微剥离损伤评估。(5)通过模型试验,验证了复合板微剥离识别检测方法的有效性。对复合板结构进行了非线性超声二次谐波法的剥离损伤检测试验,并将所得试验结果与有限元模拟结果进行对比分析。结果表明,基于有限元模拟结果所提损伤识别方法是有效的。主要创新性体现在,明确了复合板微小剥离损伤诱发二次谐波机理;复合板界面微剥离处的接触非线性是诱发二次谐波的主要原因;利用传感信号的二阶非线性系数β能够有效表征非线性应力波与微剥离几何特征之间的关系;并提出一种基于超声Lamb非线性系数的微剥离识别方法。
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