● 摘要
板状结构损伤在工程装备中较为常见，且在许多场合具有危险性，对其定位具有重要工程价值。例如对于汽车而言，车身在运行过程中部分焊点会因疲劳而发生断裂。焊点失效不仅影响乘坐舒适性，还会导致汽车结构性能降低，产生安全隐患。然而车身结构复杂且焊点数目庞大，采用传统的无损检测方法很难快速准确的定位出失效焊点的位置。因此，这类板状结构损伤的检测与定位研究一直是无损检测领域的研究重点和热点。
结构损伤常产生携带损伤信息的声发射(Acoustic Emission，简称AE)信号，例如伴随车身焊点开裂产生的声发射信号含有大量焊点开裂的有效信息。通过检测声发射信号某些特征参数，可以实现断裂焊点损伤的检测与评估。作为一种可以在线监测动态损伤的无损检测技术，声发射技术在汽车、航空航天等领域有良好应用前景，是无损检测领域的研究热点之一。但是由于结构(例如汽车车身)边界条件的复杂性，损伤声发射信号在结构中传播时具有频散、多模态等特性，使得声发射波变得极为复杂，严重制约了声发射技术在板状结构损伤定位中的深入应用。要推进声发射技术在板状结构损伤检测领域中的进一步发展，还亟需解决一些关键问题，主要包括：①针对具体板状结构损伤声发射信号传播特性的求解方法；②保留声发射到达时间、幅值等重要参数的声发射信号降噪方法，特别是脉冲噪声降噪方法；③稳健的高精度声发射源定位算法。本文结合焊点开裂损伤定位，针对上述关键问题进行了研究，具体工作包括以下几个方面：
(1)板状结构损伤声发射源机理及其传播特性
建立板状结构有限元模型，结合弹性波理论和有限元方法对声发射波的激励机理和传播特性进行仿真研究。首先提出一种基于Rayleigh阻尼和无限元的反射信号消除仿真方法，然后研究了声发射信号在具有不同几何形状、材料的板状结构中的传播特性。在此基础上，基于热弹性理论推导温度对弹性波传播的影响机理，研究了温度场对频散特性的影响规律。
(2)声发射脉冲信号数学形态学降噪方法
为了消除声发射信号里面的脉冲信号，提出了一种级联数学形态学滤波器。首先根据数学形态学滤波器的基本原理，在消除端点效应的基础上提出了级联数学形态学滤波器的原理框架，然后通过仿真信号予以验证。通过与实际声发射脉冲信号的数字滤波和小波变换的降噪效果进行对比，所提出的方法能更好地保留声发射信号中的波达时刻等关键信息，且不会影响到损伤定位的精度。
(3)基于波束形成法的声发射源定位性能分析
将波束形成阵列信号处理方法引入到板状结构声发射源定位应用中，并进行性能研究。首先使用板波理论分析板中声发射信号的传播规律及波束形成法的适用性，利用聚焦波束形成法和断铅实验对板中的声发射源进行定位。在此基础上，分析了声发射波在结构中的传播特性、定位速度以及非均匀温度场对波束形成的定位性能的影响。对比分析了传感器阵列形式、定位速度、传感器阵列的最大孔径和传感器的间距等参数对定位精度的影响。所得结果可为声发射波束形成法的阵列选择、信号处理及改进提供指导。
(4)基于板波理论和小波包分析的高精度声发射波束形成定位方法
在分析薄板结构中声发射信号的传播特性对波束形成法定位影响的基础上，提出了一种高精度声发射源定位算法。首先，基于板中声发射信号的传播特性，并结合仿真分析了多模态、频散现象、定位波速和阵列尺度对波束形成法定位精度的影响规律；在此基础上结合板波理论和小波包频带能量分解方法对声发射信号进行预处理，消减传播特性的影响，从而构建了高精度的声发射波束形成定位方法。
(5)稳健声发射波束形成定位的L阵列方法
针对直线阵列波束形成法的定位精度在阵列方向不受定位速度影响的规律，提出了一种较为稳健的声发射源定位算法，即L阵列的波束形成定位方法。分别通过有限元仿真和断铅实验来获得声发射信号，然后采用所提出的方法对实验和仿真声发射源进行定位，结果验证了该方法的有效性。并将该方法应用于复合材料板声发射源定位，取得了较好的效果。研究表明，所提出的方法对定位速度依赖性小且定位精度高。
(6)声发射源定位技术在汽车车身焊点开裂检测中的应用
将声发射波束形成源定位方法应用于类车身结构开裂焊点声发射信号的处理，实现开裂焊点定位。首先基于有限元法分析了圆角对声发射波传播特性的影响，在带有焊点的矩形管上进行断铅实验，基于弹性波理论和实验研究板点焊连接情况下声发射波束形成方法的声源定位效果。针对汽车车身焊点开裂的情况，使用模拟实验台进行焊点开裂实验，在焊接板上布置声发射传感器阵列测试焊点开裂声发射信号，利用声发射波束形成进行焊点发射源定位，验证了所提出方法在结构焊点开裂检测中的有效性。
论文最后总结了全文的研究工作，给出了板状结构损伤声发射定位的主要研究成果和结论，同时对今后值得开展的工作重点进行了展望。