Page 113 - 《应用声学》2022年第4期

第 41 卷 第 4 期 邱文等： Lamb 波多特征参数的复合材料损伤程度评估方法 611

of damage on multiple features of the Lamb wave structure response signal, multi-scale analysis of wavelet
transform is used to extract multi-feature parameters in the time-frequency domain of damage. With the help
of the non-linear mapping ability of the neural network, a composite structures damage assessment model is
constructed to realize the assessment of typical structural damage at different levels. The experiment result
on the epoxy glass fiber board structure shows that the extracted Lamb wave multi-feature parameters in the
time-frequency domain have certain sensitivity to the accumulated typical damage. The damage assessment
model can effectively estimate the damage degree.
Keywords: Composite; Structural health monitoring; Lamb wave; Multi-scale analysis; Damage assessment

很难反映复合材料结构状态和损伤的变化过程。
0 引言
针对这一难点问题，通过对复合材料结构中传
复合材料由于具有高强度、重量轻、比模量大、 播的 Lamb波响应信号多尺度分析，分析、发现和提
低蠕动及强耐腐蚀性等优点，正逐步取代合金材料， 取反映结构损伤发生、发展变化的多特征参数，并
广泛应用于航空航天、机械及土木工程等领域 [1] 。 借助于神经网络的非线性映射能力，研究复合材料
在复合材料的制造过程中，受制造工艺的影响，可能 结构损伤的跟踪监测 [7−9] ，借此探索解决复合材料
会引入原始缺陷，此外在服役过程中，受外部冲击、 结构的典型损伤评估问题，为保障结构安全提供可
交变载荷等作用，结构内部会逐渐形成损伤。不同 行的思路。
发展阶段下的复合材料结构损伤引起的结构材料
参数变化不尽相同，对结构的力学性能会产生不同 1 基础分析
程度的作用和影响，因此针对复合材料结构的损伤
1.1 Lamb波的基本原理
监测与程度评估已成为当前结构健康监测研究的
Lamb 波是一种在具有两个平行表面结构中的
热点之一。
横波与纵波相互耦合而形成的弹性波。由于 Lamb
复合材料结构形式往往较为复杂，损伤也呈现
波传播过程十分复杂，因此易受到频率、板厚等参
出多样化特征。现有结构健康监测研究中，基于结
数的影响 [10−11] 。依据经典弹性力学，可以获得板
构模态参数的损伤评估方法，如固有频率法、频响
结构中传播的Lamb波频散方程，为简化描述，各向
函数法等，应用于早期的损伤监测时，由于损伤对
同性材料板结构的频散方程可表述为
结构的整体参数影响较小，不易产生明显的变化，
[ 2 ] ±1
从而使得此类方法对早期微损伤的发现，以及损伤 tan βD = − 4αβk , (1)
2 2
2
tan αD (k − β )
演化的规律难以掌握 [2−4] 。基于机电阻抗技术的损
2
2
2
2
2
伤识别是近年来的另一项研究热点，该方法对局部 其中：D 是板的厚度；α = (ω /c ) − k ；β =
1
2
2
2
损伤敏感，且不受结构复杂集合形状的限制，但依 (ω /c ) − k ；ω 是角频率；上标正号对应于对称模
2
赖模型，同时压电传感器也受温度影响较大 [5−6] 。 式S；上标负号对应于反对称模式A；c 1 为横波波速；
基于 Lamb波的结构损伤监测技术利用结构损伤对 c 2 为纵波波速；波数 k = ω/c 3 ，c 3 是 Lamb 波的相
Lamb 波信号传播的作用机理，结合先进的信号处 速度。
理方法进行损伤的判断，由于其对微小损伤敏感、 求解上述频散方程，根据板表面的质点相位关
传播距离远，被认为是最具应用前景的一种监测方 系，可以将 Lamb波分对称波与反对称波，而每种波
法。在典型结构损伤定位、基于压电阵列的损伤评 又具有多种模式。典型的各项同性板结构中传播的
估方面，形成了许多有实用价值的研究成果。然而， Lamb波频散曲线如图 1 所示。由图中可知，在低频
复合材料结构损伤的形成与发展过程较为复杂，影 厚积的情况下，Lamb 波传播主要以 A0、S0 两种模
响因素众多，结构中的 Lamb波传播也存在多模、频 式为主，随着频厚积的增加，会产生更多的模式，并
散、各向异性等复杂性，造成损伤的评估与跟踪监 且对信号的解释与研究将趋于复杂化。通常，S0 和
测研究难度大。现有的基于时域波形变化等特征的 A0 两种模式都可以用于损伤的识别。由于传播过
Lamb 波损伤监测方法，由于可用信息较局限，因此 程中的速度不同、板结构上下点位移动的运动方向