基于时间反演的结构界面损伤监测理论及试验研究

In recent years, structural interface health monitoring, as an important factor for sturctural safety, attracts an increasing attention. Due to the inhomogeneous and nonlinear behavior of the interface , the traditional methods of structural health monitoring have many limitations to dectect damaged interfaces. Time reversal (TR) technology has the advantage of adaptively focusing dection signal on the target in the detection area.The auto-focusing characteristic of TR technology has the capacity of locating the target. During the structural interface health monitoring, the nonlinear interface can be regarded as a "Black Box".The energy based TR theory will be developed and applied to the structural interface monitoring. This proposal would integrate the time reversal theory and piezoceramic based active-sensing approach to form a new theory of structural interface monitoring based on the transfer energy value by the time reversal method. Based on the new theory, real-time monioring of various structural interfaces will be developed and experimentally verified.

界面损伤而引起的局部结构损伤往往会造成局部界面或连接件受力不平衡，甚至导致整个结构的严重事故。由于结构中界面的复杂连接方式以及诸如松动、开裂、滑移、破损等繁多的损伤形式，目前国内外仍然没有一套行之有效的监测方法。时间反演技术的环境自适应性与时空双聚焦性在对非均匀、非线性的结构界面监测中具有独特的优越性。在对结构界面建立理论模型的基础上，通过对界面的黑箱处理，可以建立时间反演下能量传递与界面损伤的等效模型，对界面的损伤程度进行定量监测与评估。同时，压电陶瓷的机电耦合特性又是最合适作为时间反演镜的材料。本课题拟将时间反演技术与压电陶瓷传感器相结合，利用压电陶瓷作为信号的发射与接收源，建立基于时间反演能量法的结构界面监测理论并进行相关实验研究。本课题的完成将会实现对不同结构界面高效、精确、实时的智能化监测与损伤评估。

课题组在传统的分形接触理论基础上，基于Wang和Komvopoulos提出的分形接触理论，提出了一种新的分析模型，用于研究法向力作用下接触面弹塑性变形的演化过程。基于分形接触理论提出了界面接触的模型，根据实际接触面积对聚焦信号峰值幅度的影响建立螺栓轴向载荷与聚焦信号峰值振幅之间的联系。同时，基于Rayleigh阻尼模型，并利用时间反演理论的自适应聚焦特性，研究了混凝土界面中应力波传播的吸收衰减规律，建立了混凝土界面中应力波的吸收衰减准则。将Rayleigh阻尼模型与波动方程相结合，推导出混凝土界面中应力波的吸收衰减模式，提出了应力波吸收衰减系数的计算公式，即当阻尼比较小时混凝土中应力波的吸收衰减系数与应力波激励频率的平方成正比。并在素混凝土梁进行了实验测试，得出Rayleigh阻尼中的质量阻尼系数和刚度阻尼系数。对超声波在不同种类界面的传播进行仿真研究，利用有限元分析软件Abaqus，采用弹塑性有限元法进行耦合机电分析，将时间相关的动态隐式分析集成到先前的静态模型中，模拟和分析超声波通过不同种类界面的传播与仿真技术。对结构准静态和动态作用下超声波特性进行了分析，研究了时间反演方法应用过程中的波传播。结合时间反演方法，对不同种类的结构界面，包括钢板与钢板界面，钢板与螺栓界面，钢板与混凝土复合结构界面，钢筋与混凝土界面的健康监测，提出了一系列监测评价标准和体系。