● 摘要
随着传感技术、信号采集与处理技术、微处理技术的发展，利用现代信号处理理论分析结构超声应力波的传播特性，进而对发生在结构上的损伤进行定位识别和定量分析的方法，近年来受到广泛的关注和应用。由于结构、材料、监测环境、监测传感器的复杂性限制，损伤监测信号处理方法还存在很多技术需要继续完善。本文对基于超声应力波信号处理的结构损伤监测中常见难题，即过采样条件下损伤监测信号的混叠问题和欠采样条件下的损伤监测信号处理问题进行研究和分析，并分别将其应用到裂纹损伤和冲击载荷在线监测中，重点研究其中涉及的信号处理理论和方法。论文主要研究内容如下：1. 研究过采样条件下金属疲劳裂纹监测方法。针对应用主动超声Lamb应力波进行损伤监测时，采集信号时域混叠，无法分辨损伤信号的问题，建立了超声脉冲卷积模型和超声Lamb波反射模型。为实现裂纹扩展程度的监测，提出了脉冲卷积裂纹损伤识别因子，并且从理论上证明了裂纹长度和损伤因子之间的正比例关系。为验证理论模型的正确性，进行了数值仿真，并用铝合金平板搭建了裂纹损伤监测验证系统。实验验证结果表明，所提监测模型可以准确分析复杂混叠信号，实现裂纹损伤的在线监测。2. 研究疲劳裂纹损伤监测欠采样信号处理方法。首先建立了疲劳裂纹监测欠采样信号模型，并对该模型进行了理论和仿真分析。分析结果表明，疲劳载荷条件下，裂纹损伤监测信号具有类周期、调制和非平稳三个特性。论文针对这些特点，提出了基于回溯检测和频谱互相关分析的损伤特征提取算法，并构造了频谱互相关序列。论文将小波包理论应用到该序列中，应用特征小波包构造了裂纹萌生和扩展因子。通过仿真和疲劳监测实验，对所提模型进行了验证。实验结果表明，本文所提模型可以在欠采样条件下实现疲劳裂纹萌生和扩展的在线监测。3. 研究振动环境冲击载荷过采样信号提取方法。通过分析振动信号与冲击载荷信号之间的统计独立特性，确定了独立量分析算法在解决本问题上的实用性。针对时域独立量分析无法解决相位差不恒定的问题，提出了应用复频域独立量分析法实现信号分离的思想，通过理论分析，证明了该方法在复数域上可实现冲击载荷分离。为实现载荷信号的识别，根据振动信号与冲击载荷信号统计特性的差别，提出了基于峭度的冲击信号识别模型。仿真和实验结果表明，复频域独立量分析冲击载荷提取模型可以极大提高监测信号的信噪比，降低环境的干扰。4. 研究基于欠采样信号的复杂结构冲击载荷定位方法。应用FBG传感器进行冲击载荷监测时，由于FBG采样率较低，监测的超声波信号具有欠采样特性，因此较为成熟的过采样冲击定位算法不能处理此问题。为此，本文根据冲击载荷响应随冲击位置不同而变化的特点，提出了两种定位算法，即互相关函数和小波包特征提取算法。针对冲击载荷定位实时性的要求，对两种算法的时间复杂度进行了分析和比较，并通过搭建实验平台进行验证。理论分析和实验结果表明，基于特征提取的小波算法具有更高的定位精度和实时性。本文的研究工作，为损伤监测信号的混叠及欠采样问题提供了新的研究思路和解决方法，提高了基于超声应力波原理进行结构损伤监测的准确性和适用范围，具有重要的理论和工程意义。