复合材料板Lamb波结构响应多域特征融合损伤评估.pdf

摘要

复合材料由于重量轻、强度高和耐化学腐蚀等优点而被广泛的应用于现代工业制造业当

中。然而，复合材料复杂的损伤机理导致对于结构损伤的诊断十分困难，尤其是损伤程度评

估。因此，针对复合材料的结构健康监测研究面临的损伤评估难点问题，研究建立有效的损

伤监测与评估系统，以及时发现安全隐患具有重要科学和工程意义。本文在研究Lamb波复

合材料结构传播机理基础上，通过分析提取损伤响应信号的多域特征参数，丰富损伤敏感信

息源，提出利用稀疏阵列结合机器学习的方法实现损伤特征的融合，建立损伤诊断模型，进

而实现复合材料损伤的定位与程度评估。

本文主要研究内容分为以下几个部分：

（1）论述了基于Lamb波的结构健康监测技术的基本方法理论，包括Lamb波的传播过

程与频散特性，基于压电传感器的损伤监测原理以及损伤程度评估的主要方法。

（2）分析了复合材料典型损伤对于Lamb波响应信号在时域、频域以及时频域的影响，

给出了多域特征参数表征损伤敏感信息提取机制和方法。针对不同损伤程度的响应信号，通

过多域信号分析，提取并构建了损伤特征向量。

（3）研究设计了基于稀疏阵列和机器学习理论的复合材料损伤评估方法。首先设计了用

于实时的信号采集稀疏传感阵列方法；其次基于Fisher线性判别分析提出了最优路径的监测

方案，用于提高稀疏阵列的监测效率，并结合主成分分析（PCA）进一步实现数据的降维处

理；再次，研究了基于支持向量机（SVM）的损伤评估方法，实现多域损伤特征融合，建立

了基于稀疏阵列的多域特征融合损伤诊断模型，包括损伤定位模型，与损伤程度评估模型。

实现损伤先定位、后程度评估。

在玻璃纤维增强环氧树脂复合材料板结构对象上进行了实验研究，通过对典型不同程度

量化分层损伤的分类评估与实验验证，结果表明：本文研究提出的基于稀疏阵列的多域特征

融合损伤诊断技术，能够准确实现复合材料板结构人工分层损伤的定位与损伤程度定量评估。

研究成果为复合材料结构健康监测面临的难点问题提供了创新的方法，具有潜在的工程应用

前景。

关键词:复合材料，Lamb波，多域特征融合，稀疏阵列，损伤评估

Abstract

Compositematerialsarewidelyusedinmodernindustrialmanufacturingduetotheirlight

weight,highstrengthandchemicalresistance.However,thecomplexdamagemechanismof

compositematerialsmakesitverydifficulttodiagnosethestructuraldamage,especiallytoassess

thedamagedegree.Therefore,itisofgreatscientificandengineeringimportancetoestablishan

effectivedamagemonitoringandassessmentsystemforthetimelydetectionofsafetyhazardsin

ordertoaddressthedifficultdamageassessmentproblemsfacedbystructuralhealthmonitoring

(SHM)studiesofcompositematerials.Inthispaper,basedonthestudyofthepropagation

mechanismofLambwaveincompositestructures,byanalyzingthemulti-domainfeature

parametersoftheextracted