复合材料结构冲击损伤中自适应旋转不变子空间监测方法

Composite structures are susceptible to low velocity impacts which can cause internal damage. Such barely visible damage caused can lead to significant reduction of local structural strength. Efficient impact monitoring techniques are important to be researched to ensure the safety of in-service composite structures. Due to highly anisotropy of Lamb wave, it difficult to monitor impact and damage in composite structure accurately. Aiming to solve this problem, estimating signal parameters via rotational invariance techniques (ESPRIT) based impact monitoring method is put forward. This method does not need searching over the monitored area when estimates the signal parameters, which can solve the anisotropic influence of composite structure and can realize online impact monitoring due to the small of data storage and calculation. This project will study four parts of the optimal arrangement scheme and accurate mathematical model of sensors subarray, the time-frequency analysis of nonlinear dispersion impact signal base on parametric time-frequency theory, the propagation characteristics analysis of impact signal under the condition of changing mechanics environment, the adaptive extracting mechanism establishment of array signal wave front and wave velocity, to solve the problem of the difficult of extracting signal subspace accurately in composite stuctures. Through this project research, a new array signal processing technology is applied in impact monitoring of composite structucts, which is of great significance to promote the engineering application of structural health monitoring technology.

复合材料结构在遭受外界低速冲击载荷时，容易产生微小冲击损伤，导致其性能下降，给复合材料设备的安全运行带来隐患，迫切需要对其进行冲击监测。针对复合材料中Lamb波各向异性导致冲击难于准确监测的问题，本项目提出了自适应旋转不变子空间监测方法。旋转不变子空间方法在信号源参数估计时无需对监测区域搜索，数据存储量小、计算量小，解决复合材料结构各向异性的影响，并实现在线冲击监测。通过研究复合材料结构中旋转不变子阵列的最优布置方案及其准确的数学模型、利用参数化时频理论分析具有非线性频散冲击信号的时频特性及其在力学环境变化因素情况下的传播特性、建立旋转不变子阵列信号波阵面和波速自适应提取机制，解决复合材料结构中信号子空间难于正确提取问题，实现高精度、高分辨率的冲击监测。通过本项目研究，将新型阵列信号处理技术应用于复合材料结构冲击损伤监测中，对推动结构健康监测技术的工程应用具有重要意义。

针对复合材料中Lamb各向异性导致冲击损伤难以监测的问题，本项目系统地研究了基于旋转不变子空间的复合材料冲击损伤自适应监测方法。取得主要成果如下：.1）针对不同阵列参数下阵列波束指向性的影响，研究了基于格林函数的传感器阵列参数优化方法，建立了最优线型传感器子阵列的旋转不变子空间数学模型；针对复杂材料结构材料力学参数不明的问题，研究了基于脉冲激振法的力学参数识别方法；针对一维线型阵列的角度盲区和定位虚像问题，建立了改进线型、梅花阵列等二维阵列信号数学模型。.2）结合有限元与实验方法，研究了复合材料结构中阵列信号传播特性以及结构边界反射对阵列信号波阵面的影响，研究了阵列信号在结构受到外界振动、应力和噪声等环境下的传播特性；针对复杂复合材料结构中Lamb各向异性和幅值衰减问题，提出了信号波速和幅值补偿模型，提高了冲击损伤的监测精度。.3）针对具有非线性频散的冲击损伤信号特性，提出了基于Gabor小波和快速EEMD算法的冲击阵列信号提取方法，有效抑制了信号混叠和其他噪声干扰的影响；构建了梅花型压电传感器阵列和自适应窗函数，通过冲击信号本身实现波速自估计和阵列波阵面自适应截取，在此基础上提出了基于旋转不变子空间的无搜索、自适应冲击损伤监测方法，解决了复杂复合材料结构各向异性对冲击损伤监测难以准确定位的问题。.4）选取典型飞机机翼复合材料结构，完成了自适应旋转不变子空间的冲击损伤定位方法的实验验证；结合特征子空间理论和神经网络理论，建立了信号子空间特征值和冲击能量等级的关系，实现了典型飞机机翼复合材料结构中冲击能量等级评估。.通过以上研究，发表SCI期刊论文14篇；发表国际会议文章3篇，国内会议2篇；申请发明专利3项；项目负责人获得教育部自然科学奖二等奖1项（排4）。