【摘要】：多重信號(hào)分類(Multiple signal classification,MUSIC)算法采用密集陣傳感器布置,具有易于布置在復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)上、方向掃描和多信號(hào)源監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn),近年來逐漸被引入至基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域內(nèi)。但將MUSIC算法應(yīng)用至復(fù)雜航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊/損傷定位和復(fù)雜航空金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷監(jiān)測(cè)中依然存在許多問題。本文面對(duì)復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)中基于MUSIC算法的健康監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用與優(yōu)化開展了深入研究,主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)針對(duì)MUSIC算法定位精度依賴于Lamb波相速度精度的特點(diǎn),首先使用單頻信號(hào)提取方法從寬帶沖擊響應(yīng)信號(hào)中提取單頻信號(hào)并測(cè)量Lamb波相速度。其次,針對(duì)真實(shí)復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重各向異性,提出了基于單頻重估計(jì)的MUSIC沖擊定位方法,建立了相速度自適應(yīng)機(jī)制重估計(jì)空間譜以獲取沖擊源準(zhǔn)確的角度和距離,減少了航空結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重各向異性對(duì)MUSIC算法定位性能的影響,提高了沖擊定位方法的精度和可靠性。(2)針對(duì)真實(shí)腐蝕損傷散射信號(hào)微弱而導(dǎo)致MUSIC損傷定位精度低的問題,首先將激勵(lì)波束成型和雙陣列引入到MUSIC方法中,提出了波束成型與MUSIC空間譜的聯(lián)合搜索方法,增強(qiáng)腐蝕損傷的散射信號(hào)和提高其信噪比,提高了腐蝕損傷定位的精度。(3)針對(duì)一維線型陣列的角度盲區(qū)問題,提出了基于加權(quán)圖像融合的MUSIC方法,將雙陣列輪流作為激勵(lì)或傳感陣列,通過加權(quán)融合雙陣列的腐蝕損傷成像,實(shí)現(xiàn)了一維線型陣列盲區(qū)內(nèi)的腐蝕損傷監(jiān)測(cè)。提出了基于陣列信號(hào)協(xié)方差矩陣特征值的腐蝕損傷因子,用以判別腐蝕損傷深度。方法擴(kuò)大了傳統(tǒng)一維線型陣列的監(jiān)測(cè)區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了腐蝕損傷深度的評(píng)估。(4)針對(duì)航空結(jié)構(gòu)各向異性、傳感器陣列陣元位置誤差以及波包混疊等造成的壓電傳感器陣列相位誤差從而導(dǎo)致MUSIC算法的定位精度下降的問題,提出了基于自適應(yīng)暰值法測(cè)量相位誤差的全方位陣列誤差校正MUSIC方法,提高了 MUSIC損傷定位方法在真實(shí)復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)上的定位精度和可靠性。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V267;V214;TN911.23
【圖文】：

并指導(dǎo)決策維護(hù)方案，從而保障飛行器的安全性，提高飛行器的使用效率以及降護(hù)費(fèi)用。航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)通過在航空結(jié)構(gòu)上布置傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于提高飛行器服役的安全性和降低維護(hù)費(fèi)用具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值Ｍ結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的概念逡逑構(gòu)健康監(jiān)測(cè)＿邋（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ邋ｈｅａｌｔｈ邋ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，邋ＳＨＭ）技術(shù)采用智能材料}P構(gòu)的概念，絡(luò)將驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件集成在結(jié)構(gòu)中，實(shí)時(shí)在線地采集傳感器信號(hào)，結(jié)合先進(jìn)法，提取相應(yīng)的信號(hào)特征參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估甚至對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的位置和尺監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的擴(kuò)展趨勢(shì)并預(yù)測(cè)損傷結(jié)構(gòu)的使用壽命，從而提離航空結(jié)構(gòu)的飛行安據(jù)監(jiān)測(cè)原理和監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，常見的航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為被動(dòng)式監(jiān)測(cè)兩種，對(duì)應(yīng)的原理如圖Ｕ所示＾在被動(dòng)式監(jiān)測(cè)時(shí)，布；ａ在航空}P構(gòu)上的傳感器載荷發(fā)生在結(jié)構(gòu)上引發(fā)的彈性波，采用一隹的信號(hào)處理算法評(píng)估沖擊載荷的位置式監(jiān)測(cè)時(shí)，航空￣結(jié)構(gòu)上布置有驅(qū)動(dòng)器和傳感器網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)利用驅(qū)動(dòng)器向航空結(jié)信號(hào)，采集傳感器接受的響應(yīng)信號(hào)ｉ^~結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷時(shí)，傳感器接受．的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，通過提取特征參數(shù)分析響應(yīng)信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)。逡逑楩動(dòng)器逡逑

航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一敢■由３部分組成，包括集成在航空結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)調(diào)逡逑理采集系統(tǒng)以及信號(hào)處理算法組成ｐ，４］。ｕ般常見的傳感器包括壓電片、光纖傳感器、應(yīng)變片逡逑等［５凡如圖１．２所系。這些集成在飛行器結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)可對(duì)飛行栜結(jié)構(gòu)的損傷〈包括分逡逑層與脫層、疲勞裂紋以及腐蝕等）進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)，也可Ｍ時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、氣動(dòng)壓力以及外部沖逡逑１廔進(jìn)行被動(dòng)監(jiān)測(cè)。逡逑＾邐ｋ邐１邐（邐．邐光纖邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｆｉｂｅｒ邋（邐、逡逑ｊ邐■邐灥，邐被動(dòng)傳感：逡逑－ｊ邋＾邋ｔ邋１邐＾邐－ｉ逡逑／－邋？邐．＿ｍ＆．逡逑ｉｆ，Ｌ．．．ｊ邋１邐Ｊ＃｜邐＿邐１１逡逑鼉邐應(yīng)變片邋Ｓｔｒａｉｎ邋Ｇａｕｇｅ邋邐逡逑Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑圖１．２結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象逡逑１．１．２航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀逡逑與金屬材料相比，復(fù)合材料由寧比重小、比強(qiáng)虔裔、比j董大并具有可設(shè)計(jì)性，因此逐步逡逑痛－甩于航空航天領(lǐng)域＞１２］。如復(fù)合材料在空客Ａ３５０ＸＷＢ中所占的比＿高達(dá)５２％，如圖１．３所逡逑示。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用過程中容易受到低速?zèng)_擊而造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷［１３，１火這些內(nèi)部損傷逡逑不僅使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度下降且常規(guī)檢測(cè)方法無法檢測(cè)出來，使得結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的安全隱患。逡逑Ａ３５０邋：５２％邐—＿＊＊＂？邐、逡逑波音邋７８７：５０％

航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一敢■由３部分組成，包括集成在航空結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)調(diào)逡逑理采集系統(tǒng)以及信號(hào)處理算法組成ｐ，４］。ｕ般常見的傳感器包括壓電片、光纖傳感器、應(yīng)變片逡逑等［５凡如圖１．２所系。這些集成在飛行器結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)可對(duì)飛行栜結(jié)構(gòu)的損傷〈包括分逡逑層與脫層、疲勞裂紋以及腐蝕等）進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)，也可Ｍ時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變、氣動(dòng)壓力以及外部沖逡逑１廔進(jìn)行被動(dòng)監(jiān)測(cè)。逡逑＾邐ｋ邐１邐（邐．邐光纖邋Ｏｐｔｉｃａｌ邋Ｆｉｂｅｒ邋（邐、逡逑ｊ邐■邐灥，邐被動(dòng)傳感：逡逑－ｊ邋＾邋ｔ邋１邐＾邐－ｉ逡逑／－邋？邐．＿ｍ＆．逡逑ｉｆ，Ｌ．．．ｊ邋１邐Ｊ＃｜邐＿邐１１逡逑鼉邐應(yīng)變片邋Ｓｔｒａｉｎ邋Ｇａｕｇｅ邋邐逡逑Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑圖１．２結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象逡逑１．１．２航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的研究現(xiàn)狀逡逑與金屬材料相比，復(fù)合材料由寧比重小、比強(qiáng)虔裔、比j董大并具有可設(shè)計(jì)性，因此逐步逡逑痛－甩于航空航天領(lǐng)域＞１２］。如復(fù)合材料在空客Ａ３５０ＸＷＢ中所占的比＿高達(dá)５２％，如圖１．３所逡逑示。但復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用過程中容易受到低速?zèng)_擊而造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷［１３，１火這些內(nèi)部損傷逡逑不僅使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度下降且常規(guī)檢測(cè)方法無法檢測(cè)出來，使得結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的安全隱患。逡逑Ａ３５０邋：５２％邐—＿＊＊＂？邐、逡逑波音邋７８７：５０％

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2764991