考虑温度与载荷耦合作用的基于超声导波的飞行器结构损伤定量化监测方法

Ultrasonic guided waves-based structural health monitoring (GWSHM) is an important mean to improve aerospace structures safety and reduce maintenance cost; However, guided wave signal are susceptible to environmental and operational variability, causing false or incorrect damage warnings that reduce reliability of damage diagnosis. This project focuses on health monitoring of aerospace structures, explores the fundamental mechanism of changing in propagation characteristics of guided waves under the coupling effect of temperature and external loads, investigates damage identification and environment compensation based on frequency dispersion under the effects of temperature fluctuations and loads change in order to form a reliabe quantitative monitoring based on guided waves. Research contents include: (1)coupling mechanism of ultrasonic guided waves and temperature fluctuations and load changes, setting up a parametric analysis method of sensitivity relations of ultrasonic guided waves between environmental changes and sensor-bonding agent-structure; (2)damage identification approach based on multi-frequency diagnosis results fusion and elliptical weighted distribution; (3) establishing an environmental compensation algorithm based on the dispersion curve prediction; (4) developing cointegration-based damage sensitive features extraction method, but not sensitive to environment factors. The project research results are of great significance for improving reliability and maturity of damage quantitative technology based on guided wave, and promoting its application in assessing integrity and safety of aerospace structures.

基于超声导波的结构健康监测技术是提高飞行器结构安全性和降低维护成本的重要手段，但超声导波诊断信号易受环境变化影响，导致损伤虚报或误报，降低损伤诊断结果的可靠性。本项目以飞行器结构为对象，探索超声导波在温度波动和外部载荷变化耦合作用下的传播特性变化的规律或机理，探讨如何利用导波频散特性发展损伤辨识技术和环境补偿算法，形成高可靠性的超声导波损伤定量化监测方法。研究内容包括：(1)温度波动和载荷变化耦合作用的超声导波传播特性变化机理，建立传感器-胶层-结构三者环境效应影响导波传播特性变化的参数化分析方法；(2) 基于多频率诊断结果融合和椭圆加权分布的损伤诊断成像方法；(3)发展基于频散曲线预测的环境补偿方法；(4)基于协整分析的对环境因素不敏感的损伤敏感特征提取方法。本项目研究成果对于提高超声导波损伤定量化技术的可靠性和成熟度，并促进该技术在飞行器结构完整性和安全评定上的应用具有重要意义。

本项目以飞行器结构为对象，探索超声导波在温度波动和外部载荷变化耦合作用下的传播特性变化的规律或机理，探讨超声导波损伤诊断与成像技术，并发展相应的环境补偿算法，形成高可靠性的超声导波损伤定量化监测方法。本项目取得了如下主要成果：. (1) 系统地从传感器-粘接层-结构三个层次上研究了温度和载荷两种环境因素对超声导波传播特性的影响，从理论分析和试验设置进行了参数化分析，建立了考虑胶层厚度、模量和传感器构型的应变传递模型，发现以粘接层的剪切模量/厚度为变量，可将不同厚度的粘接层应变传递系数连接为一条光滑曲线；发现超声导波在温度-载荷耦合作用下，导波信号的三个特征量（幅值、飞行时间和波速）随耦合作用条件的改变呈高度非线性变化趋势，且变化规律与导波传播方向有关。. (2)发展改进了基于椭圆加权分布成像的超声导波损伤成像诊断算法，提出了一种多频率综合诊断结果融合的诊断方法来抑制监测中心频率选择的影响，提出了一种基于单位权值补偿的改进加权分布诊断成像方法来消除不同路径布设和边角效应，将上述方法扩展到了飞行器中小管径管道的损伤监测，提出了基于相位角变化的截面微小损伤诊断成像方法。. (3)提出了基于单一环境因素-导波幅值/相位线性变化的校准模型，用于重构超声导波环境补偿信号；提出了一种基于基准信号匹配的超声导波单一环境因素补偿算法，可实现多次迭代补偿。提出了改进的基于基准信号匹配的环境因素耦合的环境补偿方法；提出了基于概率统计模型（高斯混合模型和模糊C均值）的随机载荷和随机温度影响的环境补偿方法，并在热点区域的疲劳裂纹扩展监测进行了验证。. (4)提出了一种可用于在板状结构中激励单一模态Lamb波（A0或S0）的传感器激励载荷施加的形式化分析方法，为传感器设计提供指导；提出了一种基于信号斯皮尔曼等级相关系数的损伤因子（但对温度变化不敏感）。搭建了面向多种特殊环境的飞行器结构健康监测技术验证平台，对本项目提出损伤诊断算法和环境补偿进行了验证，并在两类飞行器典型结构力-热(低温和高温)耦合地面试验中进行了初步验证。. 本项目已发表学术论文共21篇，其中期刊论文15篇，国际会议论文6篇，SCI收录10篇，EI收录15篇。