基于各向异性超材料导波调控的复合材料层合板的损伤识别方法研究

Damage identification techniques for composite structures have been always playing a key role in extending the application of composite materials in advanced engineering structures. In recent years, detection methods based on guided waves have been rapidly developed and become increasingly important for the real-time structural health monitoring systems. However, the development of guided wave detection in composite structures is subject to a severe restriction due to the complexity of guide waves, the particularity of composite materials and the manipulation limitations of guided wave transducer. As one of the current hot research frontiers, elastic metamaterial can realize elastic wave control at a subwavelength scale based on the structure itself, which provides a new way for guided wave manipulation. On basis of the extraordinary dynamic properties of elastic metamaterials, the application of elastic metamaterials in guided wave detection will be explored in this project. By using dynamic experimental testing techniques (vibration and wave propagation) and numerical simulation, a hyperbolic elastic metamaterial, which can be attached onto an anisotropic substrate, will be proposed and discussed. The subwavelength-scale guided-wave-control abilities of the proposed anisotropic metamaterial will be investigated. Highly sensitive damage identification in composite laminates by using the guided wave detection method, which is manipulated by elastic metamaterials, is expected to be realized. This research is expected to break through the bottleneck of guided wave detection in composite laminates, provide a new reference for metamaterial design and guided-wave-control based on elastic metamaterials, and promote the development of nondestructive testing and structural health monitoring techniques.

复合材料结构的损伤识别技术一直是制约复合材料充分利用其材料优势在现代先进工程结构上推广应用的关键。近年来，基于导波的检测技术发展迅猛，并在在役结构健康监测上占据越来越重要的地位。然而，导波信号的复杂性、复合材料性能的特殊性、以及传感器件调控导波的局限性，都极大限制了导波检测技术在复合材料结构中的发展和应用。作为目前研究的前沿领域之一，弹性超材料可基于结构本身实现亚波长尺度下弹性波的调控，为导波控制提供了一条全新的途径。本项目拟基于弹性超材料可调控的动力学特性，采用振动与波动动态测试技术，结合数值仿真，设计各向异性弹性超材料结构；研究亚波长尺度下各向异性超材料调控复合材料层合板导波的机理；融合导波检测算法，实现基于超材料导波调控的复合材料层合板的高敏感度损伤识别。本项目有望突破复合材料层合板导波检测面临的瓶颈问题，为弹性超材料设计与导波调控提供新的方法，促进无损检测和结构健康监测技术的发展。

本项目旨在基于弹性超材料可调控的动力学特性，研究亚波长尺度下超材料调控导波的机理，并进一步实现基于超材料导波调控的损伤识别。本项目从基于复合材料超结构的能带机理和Lamb波调控、基于超表面结构的Lamb波超常规调控、基于超结构的振动溯源与冲击定位识别三个方面展开研究，对各向异性超结构中导波传播调控规律和基于超材料导波调控的振动溯源与识别两个层次的理论、方法、关键技术开展了系统全面的研究。经过三年的研究，取得了如下成果：（1）以复合材料为基体，结合超材料设计理念，提出多种具有低频、超宽带弹性波带隙的复合材料超结构，揭示了复合材料超结构的能带特性与传输机理，并进一步提出形状记忆弹性超材料结构，实现带隙主动调控与路径可编程的弹性波波导；（2）针对复合材料超结构分别建立了质量-弹簧-阻尼等效模型和欧拉-伯努利梁等效模型，并提出各向异性的悬臂梁-质量-弹簧等效理论模型，从质量-弹簧的一维模型扩展到二维，理论预测了所提超结构各向异性的弹性波带隙频率；（3）针对现有超材料存在的工作频带窄、结构复杂等缺点，创新设计了一系列结构紧凑的超表面结构，并对其高阶衍射机理进行了深入研究，实现了一系列宽带、高效的弹性波调控功能；（4）针对传统导波检测技术所需传感器数量大、高能耗、布局复杂和灵活性差等关键问题，结合编码超表面设计与计算感知方法，提出了一种基于单传感器的振动感知系统，实现多源宽频振动的有效识别和定位，极大减小了检测系统的空间体积和复杂度；（5）针对冲击载荷具有时间和空间稀疏性的特点，将编码的思想融入到冲击信号的表示中，进一步发展了时空编码超材料用于单传感器冲击载荷发生位置与时间的辨识方法。基于以上研究成果，共发表学术论文28篇，参编英文专著1部，其中SCI论文15篇，EI论文3篇，会议论文10篇，申请/授权国际/国家发明专利7项、获陕西省高等学校科学技术一等奖1次、中国研究生未来飞行器创新大赛三等奖1次、全国实验力学大会研究生优秀论文1篇。