基于贝叶斯理论的复合材料Lamb波小波谱元法研究

This research presents a new wavelet spectral finite element (WSFE) method in field of structural health monitoring for characterizing of Lamb wave propagation in composite structures for the purpose of damage detection. The methodology is based on Bayesian theory and structure-piezoelectric wafer coupling model. It has several advantages over the current WSFE method for Lamb wave propagation computation. In particular, the interaction between the piezoelectric wafer and the host composite laminates is considered. Wave propagation properties under excitation of PZT disc was investigated in comparison with the single point force excitation model. In addition, the proposed method can greatly reduce the impact of model parameter uncertainty based on particle filter method. The influence of time-varying structure on the propagation of Lamb waves is analyzed. The proposed WSFE method is used to characteristic of wave propagation, excitation and capture of guided wave and wave interaction with damage in time-varying structure. Using the wave propagation computation, the training data of deep belief network can be numerically obtained without using actual measurements. To identify and quantify the damage in composite plates, the numerically obtained baseline signals are coupled with online measurements through Lamb wave damage monitoring framework based on deep confidence network.Experimental validation is performed to validate the effectiveness and efficiency of the new methodology.

本研究以复合材料板结构为研究对象，系统地把小波谱元法应用于结构健康监测领域。针对现有小波谱元法未考虑压电传感器与结构的耦合问题，局限于确定性模型建模方法，缺乏时变结构的Lamb波损伤监测方法等问题，提出了一种基于贝叶斯理论含结构-压电晶片耦合模型的小波谱元法，揭示复合材料结构及含损伤结构Lamb波传播机理。分析时变结构对Lamb波传播的影响，建立考虑时变因素的Lamb波小波谱元法模型，研究时变结构Lamb波与损伤耦合作用机理，以小波谱元法的仿真结果为训练数据，搭建基于深度置信网络的Lamb波损伤监测框架，实现复合材料板结构的分层损伤、筋条脱粘两种损伤形式的实时监测，并进行试验验证该方法在鲁棒性、高效性、精确性等方面的优势。

基于Lamb波的复合材料结构健康监测方法具有监测范围广、实时性强、对微小损伤敏感的独特优势，已经被广泛应用于航空、航天和轨道交通等高端装备，而快速、准确获取损伤与Lamb波作用机理和建立有效的损伤诊断模型是限制该技术推广应用的瓶颈，如何高效准确地实现Lamb波建模仿真分析是当前的一个热点问题。为了解决现有lamb波建模仿真分析方法效率低、未考虑结构参数不确定性的问题，本项目研究了一种基于贝叶斯理论的复合材料结构Lamb波小波谱元法：首先，基于压电元件力电耦合及传递规律，建立了含结构-压电晶片耦合的Lamb波传播方程，并提出了基于小波谱元法的求解方法，构成了本项目的基础模型；继而，提出了考虑结构不确定性的小波谱元法，有效解决了不确定性参数对仿真结果的影响，实现了对Lamb波在复合材料结构中的快速准确仿真；最后，引入结构参数、环境因素、波速变化对损伤监测的影响，开展了时变条件下的复合材料结构损伤识别方法研究，基于机器学习方法实现了对考虑结构参数不确定性、变温度条件下、无需预先测速条件下的损伤监测。本项目的资助下取得了研究成果有：①建立了含结构-压电晶片耦合的小波谱元法模型；②提出了考虑结构不确定性的Lamb波建模与分析方法；③提出了基于Kriging代理模型的损诊断别方法；④提出了一种时变结构的Lamb波损伤智能监测方法；⑤提出了无需测速的Lamb波冲击损伤定位方法；⑥发表SCI论文4篇；⑦培养硕士研究生1名。总体而言，本项目理论建模分析和试验验证相辅相成、互相支撑，系统性地把小波谱元法应用于基于Lamb波的复合材料结构健康监测技术中，实现了考虑不确定性和时变条件下的复合材料损伤监测，达到了提升基于Lamb波的复合材料结构健康监测技术水平的目的。