复杂边界复合材料结构损伤的声发射波传播特性及高精度定位方法

The aircraft safety is affected by the damage of large composite structure directly. Acoustic emission technology, as a dynamic nondestructive testing method, is an important method to locate damage in composite structural. However, localization precision of traditional AET does not meet the actual requirements due to the challenges: (1)the acoustic emission wave propagation mechanism and characteristics in composite structure with complex boundaries are undefined; (2) the acoustic emission signal is too complex because of multi-modes and dispersion; (3) acoustic emission localization methods for large composite structure is lack. Aims at the problems mentioned above, the application reveals the propagation law of stress wave in the viscoelastic layered nonlinear media , and constructs accurate reproduction methods of AE wave propagation characteristics in composite structure with complex boundaries combined with finite element, infinite element method and the propagation law. Then compensation methods for the propagation of acoustic emission signal is established by extracting the dispersion characteristics and time-frequency characteristics of the modes. Besides, the self-verification damage localization method of structure key positions by single AE sensor is presented based on path inversion technology; and a AE mirror expansion-beamforming method to localize new damages under Multi AE sources is also researched. Finally, a sensor network topology optimization method is introduced to optimize sensors layout. The results of this application can afford the localization theoretical basis and method of damage in composite structure with complex boundaries, and promote the progress of AET and composite structural health management.

结构损伤监测与定位是飞行安全的重要保障。作为一种动态无损检测方法，声发射技术在结构损伤定位检测中所占的地位日益重要。然而，现有声发射技术在大型复合材料结构损伤定位中的应用还存在以下瓶颈：复杂边界对声发射波传播影响不明导致定位可靠性低；多模态和频散等特性导致定位不准确；缺乏面向大型复合材料结构损伤的声发射定位方法等。本项目基于弹性波理论，首先结合有限元、无限元等方法构建复合材料结构中声发射波传播模型，揭示复杂边界下损伤声发射波的传播特性；然后通过各模态时频特征的研究，建立声发射信号的传播特性补偿方法；进而建立关键位置损伤单声发射传感器自验证的路径反演定位方法，并提出多声源情况下新声发射源跟踪与定位技术；最后建立大型复合材料结构声发射传感器组网的拓扑优化方法。本项目的研究将促进大型复合材料结构损伤声发射定位理论和技术体系的发展，并提升声发射无损检测和结构健康管理的技术水平。

飞机结构中复合材料应用日益广泛。由于复合材料损伤形式复杂多样，且多发生在材料内部，从而增加了复合材料结构损伤监测的困难。声发射监测技术对复合材料结构损伤敏感，有望用于满足大型航空复合材料结构健康监测的迫切需求。但对于大型复合材料承力结构，由于声发射波传播特性复杂，致使声发射技术损伤定位准确度低，传感器数量需求多，且无法定位同时存在的多源损伤，制约了声发射技术在大型复合材料结构健康监测中的应用。.针对以上问题，本项目开展面向大型板状结构的损伤声发射传播特性与定位方法研究：（1）提出了典型边界下板状结构中声发射波传播有限元仿真方法，揭示复杂结构中声发射波的传播规律，为复杂边界板状结构中声发射源定位奠定基础；（2）将Bartlett波束形成阵列信号处理方法引入到板状结构声发射源定位应用中，并研究了传播特性、阵列参数等对定位性能的影响，在此基础上提出了一种较为稳健的快速声发射源定位算法；（3）针对同时双发射源定位的难题，分别基于信号分离和陷波思想，提出了两种同时声发射源定位的波束形成方法，解决了双声发射源导致时差混淆导致的定位问题；（4）针对各项差异较大的复合材料结构，提出了基于子阵列选择的L阵列双声源定位方法，实现了大型复合材料结构多声发射源定位的难题；（5）针对单声发射源、同时双声发射源在线实时定位需求，开发了具有广泛适用性的快速寻源算法，极大地提高了定位速度，有效突破了波束形成法在大型结构上工程实时定位的瓶颈；（6）针对关键连接结构损伤定位问题，提出了一种基于少量传感器建立时差数据库的定位方法，显著减少关键位置定位传感器需求；（7）针对声发射信号易受噪声污染和信息微弱的工程实际情况，提出了基于声学黑洞的声发射信号消噪和增强方法；（8）最后，提出了飞机结构损伤声发射定位的传感器网络组建方法。.本项目研究成果对结构损伤声发射定位理论的研究及工程应用都具有较好的参考价值。