基于智能材料PZT/FBG结合的复合材料结构损伤检测关键理论与方法

复合材料结构在土木、航天、军工等领域的应用日益增多，这催生了一个新的研究热点：基于智能材料的复合材料结构健康诊断，其基本内涵包括结构特性传感技术和损伤检测理论与方法。现有工作多为基于压电陶瓷(PZT)和光纤布拉格光栅（FBG）的结构特性传感技术探讨，而对"损伤检测理论与方法"研究不够，这直接影响了有生命力的复合材料结构健康诊断技术的产生。针对该现状，对PZT驱动/FBG传感结合模式下的损伤检测关键理论与方法进行研究，拟建立复合材料梁（板）复杂损伤状况（多裂纹、多脱层、裂纹+脱层等）的解析振动模型及其数值解；建立PZT/FBG结合的复合材料结构关键区域损伤检测的基本理论与方法，及在PZT/FBG结合下，探索建立基于小波变换的复合材料结构非线性损伤检测方法。预期成果有益于提升现有"损伤检测理论与方法"的基本水平，可望为产生先进的复合材料结构健康诊断技术提供基础性支持。拟发表SCI文章5篇。

压电陶瓷(PZT)、光纤布拉格光栅（FBG）、激光测振仪(SLV)等先进传感技术在机械、土木、航天、军工等多个领域的结构健康诊断中得到高度关注。基于这些先进传感设备，建立结构健康诊断系统的核心可归纳为：结构动态特性传感技术和结构损伤检测理论与方法。目前，基于PZT和FBG的结构动态特性传感技术较多，而“结构损伤检测理论与方法”相对缺乏。二者的不平衡阻碍了有生命力结构健康诊断技术的产生。针对该现状，该项目拟探索PZT驱动/FBG传感模式下的结构损伤检测关键理论与方法。在项目执行初期，发现FBG仅能够量测低频（几百赫兹）振动响应，而梁/板结构的第四、五阶振动频率（损伤诊断常用频率）轻易可达千赫兹，说明基于FBG对梁/板进行振动损伤检测具有局限性。相比而言，SLV可量测兆赫兹级的振动响应，且具有比FBG更好的分布量测和噪声免疫能力。因此，项目执行中采用SLV代替FBG量测复合材料结构的振动响应。在项目开展过程中，取得的主要成果如下：(i) 提出了悬臂梁在自由端集中荷载、均布荷载下的静态挠度、基频模态振型的损伤敏感性分析方法，为优化选取损伤特征量进行悬臂梁损伤检测提供了理论依据；(ii) 提出了复合材料梁脱层的非线性杂交优化损伤检测算法；(iii) 提出了PZT/SLV智能传感振动变形、2D高斯小波对振动变形进行奇异分析，检测复合材料板损伤的方法；(v) 提出了任意边界条件下裂纹梁的多尺度解析振动模型，据其建立了物理概念清晰的梁裂纹检测方法。高水平的物理模型试验有效地支撑了上述研究成果，并成为本项目的亮点与特色。在项目执行中，与国际先进实验室合作开展了多个高质量的物理模型试验。与已发表工作相关的试验有：(i) PZT/SLV智能传感板的局部振动变形进行“X”形损伤检测试验；(ii) 激光切割制造梁脱层及梁脱层检测试验；(iii) 基于SLV/电磁激励的梁结构裂纹损伤检测试验。这些物理模型试验不但检验了项目中产生的理论与方法，支撑了高水平的研究成果，形成了丰富的试验资料库；而且在试验执行过程中，与合作单位行成了稳固、良好的合作关系。在理论、方法、试验的支持下，该项目已产出SCI文章6篇。