蜂窝夹层复合材料的全波场导波信息表征与损伤评估方法研究

With the increasing application of honeycomb sandwich composites in many high-end manufacturing fields (i.e. aircraft, aerospace, energy and vessel), the effective structural health monitoring (SHM) investigation for those vital equipment during manufacturing process and services is an important guarantee for safety and reliability. Guided waves is one of the most potential techniques for non-destructive testing. However, the interpretation of signals in honeycomb composites is difficult due to the complex geometrical structure. With the help of full-wavefield methods, the signal can be transformed into concise expression, which makes contribution to propagation analysis and damage evaluation. The motivation and objective of this project is to establish the structural health monitoring strategies for honeycomb sandwich composites based on full wavefield analysis. Firstly, the frequency-wavenumber transforming and reconstruction methods with high resolution is built to reveal the wave propagating mechanism. On this basis, a frequency-wavenumber filtering technique with multi-parameters is employed to separate different Guided wave components, which is the fundamental for damage feature identification and extraction. Furthermore, multi-source information fusion methodology and damage index set building strategy are investigated for revealing the evolution of signal feature associated with damage parameters, which provides theoretical basis for damage detection and evaluation. This project may provide proofs of structural health monitoring and equipment maintenance management for honeycomb composite structures.

蜂窝夹层复合材料在航空航天、能源船舶等高尖端领域应用广泛，对其结构状态监测是保障重大设备安全可靠运行的必要手段。超声导波是最具潜力的结构无损检测方法之一，但对蜂窝夹层复合材料中导波蕴含特征信息解读能力的不足是限制该方法有效开展的主要障碍。全波场方法可在多表达域内降低导波信号的复杂度，有望对导波的传播机理研究和损伤状态评估产生重要推动。课题围绕蜂窝夹层复合材料的波场信号表征开展研究，通过建立波场信号的频率-波数域重构及特征解析方法，揭示导波的内在传播机制；在此基础上，建立基于模态匹配的多参频率-波数滤波方法，实现损伤敏感成分的辨识与提取；进一步，研究全波场多源特征信息融合方法，建立全波场多表达域的损伤特征指标集，并揭示损伤状态与信号特征的多重映射关系，为蜂窝夹层复合材料结构的损伤检测与状态评估奠定理论基础。本课题的研究可为蜂窝夹层结构的健康状态监测和设备维护管理提供可靠依据和技术保障。

蜂窝夹层复合材料在航空航天、能源船舶等高尖端领域应用广泛，对其结构状态监测是保障重大设备安全可靠运行的必要手段。超声导波是最具潜力的结构无损检测方法之一，但对蜂窝夹层复合材料中导波蕴含特征信息解读能力的不足是限制该方法有效开展的主要障碍。全波场方法可在多表达域内降低导波信号的复杂度，有望对导波的传播机理研究和损伤状态评估产生重要推动，可为复杂复合材料结构的安全性和可靠性评估提供有力支撑，是复合材料结构健康监测和无损检测的一个前沿科学问题。本项目围绕蜂窝夹层复合材料的全波场信息解析和损伤评估方法开展研究，构建了适用于蜂窝夹层复合材料结构的超声导波多尺度建模与仿真方法，拓宽了夹层结构超声导波建模方法的应用广度，提出了基于稀疏重构的导波传播特性反求方法，提升了少量波场数据测试下的传播特性估计准确性；进一步，提出了夹层结构多重内部反射信息的时域辨识与追踪方法，实现了多重散射波形关于夹层结构的关联匹配，建立了冲击损伤信息的频谱提取与锐化方法，提高了信号特征指标关于损伤的敏感性；在此基础上，建立了宽带激光超声导波全波场损伤信息融合与成像方向，充分利用宽带超声导波的丰富信息，提升了损伤成像质量与精度，构建了适用于夹层结构双侧脱粘的识别与溯源方法，实现了夹层结构损伤内部分布的准确识别；最后，提出了全波场数据驱动下的结构局部波数重构方法，充分利用全波场时空-频率-波数信息，实现了复合材料结构损伤平面尺寸和深度估计，显著提升结构损伤量化准确性，为实现复合材料夹层结构的超声导波量化检测提供新思路。基于研究成果，负责人在本领域权威期刊一作发表期刊论文6篇，其中SCI JCR Q1区4篇，授权国家发明专利2项，为蜂窝夹层复合材料结构的导波传播、损伤评估和运维管理奠定了理论和方法基础。