中文摘要
結構中的導波由於具有傳播距離遠、可檢測結構中任意部位缺陷、可實現結構的實時健康監測等優點而發展成為一種強有力的無損檢測技術。結構中的損傷具有多尺度性質，按照可檢測工程結構內部損傷的尺度區分，導波檢測技術可分為線性導波技術和非線性導波技術。線性導波技術用來檢測結構中的巨觀損傷(開口裂紋、孔洞、層裂等)，非線性導波技術則對結構的材料性能退化及微損傷十分敏感，可有效評估結構中的早期微觀損傷。本文以實驗技術為主要手段，結合數值模擬及理論分析，採用線性及非線性導波技術深入研究典型工程構件(梁、圓環及板)中的損傷檢測問題。基於線性導波檢測技...>> 詳細
結構中的導波由於具有傳播距離遠、可檢測結構中任意部位缺陷、可實現結構的實時健康監測等優點而發展成為一種強有力的無損檢測技術。結構中的損傷具有多尺度性質，按照可檢測工程結構內部損傷的尺度區分，導波檢測技術可分為線性導波技術和非線性導波技術。線性導波技術用來檢測結構中的巨觀損傷(開口裂紋、孔洞、層裂等)，非線性導波技術則對結構的材料性能退化及微損傷十分敏感，可有效評估結構中的早期微觀損傷。
本文以實驗技術為主要手段，結合數值模擬及理論分析，採用線性及非線性導波技術深入研究典型工程構件(梁、圓環及板)中的損傷檢測問題。基於線性導波檢測技術.全面分析了複合材料懸臂樑及圓環構件中巨觀裂紋的定量檢測。套用非線性導波檢測技術，對鋁板的固有非線性進行表征，並實驗驗證Lamb波二次諧波的對稱性。同時，本文深入探討連續小波變換(CWT)在多模態彌散導波信號處理中的套用，重點考察兩種常用連續小波(Gabor小波和Morlet小波)的時頻分析特性及其在損傷檢測中的不同性能。本文主要工作包含以下內容：
(1)理論分析Gabor小波和Morlet小波的時頻分析特性。結果表明Gabor小波具有較高的時間解析度，Morlet小波具有較高的頻率解析度。這為導波信號分析中如何選取連續小波母函式提供了理論指導。當時間解析度是損傷檢測需求中的關鍵因素時，應該選取Gabor小波對導波信號進行分析：當頻率解析度為影響損傷檢測結果的主要因素時，則應選擇Morlet小波進行分析。
(2)採用有限元分析及動態電測實驗技術研究玻璃纖維增強複合材料懸臂樑中裂紋的定量檢測。將Gabor小波和Morlet小波套用到梁中彎鹽波的分析中，首先通過多頻率小波變換確定對裂紋敏感的頻率組分，通過該組分提取損傷特徵(裂紋反射波)，然後根據ToF(time-of-flight)技術成功檢測出裂紋的位置及相對大小。同時實驗驗證了具有較高時間解析度的Gabor小波可以更加準確地確定ToF及裂紋位置。
(3)採用有限元分析、動態電測實驗技術及壓電感測器技術首次實現了圓環徑向裂紋的定量檢測，同時對導波模態選擇及頻率選取問題進行深入分析。通過Gabor小波提取合適頻率的周嚮導波組分，識別損傷特徵，成功確定了裂紋的位置及相對大小。通過研究不同頻率導波組分在徑向裂紋檢測中的不同特點發現，低頻波組分容易發生波峰重疊，對損傷不敏感；高頻波組分對損傷敏感度高，但具有較多模態導致波場變得複雜，因此實際套用中應該選取彌散度低的中高頻組分進行損傷檢測。通過對比周嚮導波低階模態在裂紋檢測中的性能發現，第一模態(即類表面波模態)在薄壁圓環的徑向裂紋檢測中性能最優。
(4)首次實驗驗證了Lamb波二次諧波的對稱性。通過可變角度超聲斜探頭激勵鋁板中的對稱及非對稱Lamb波模態，採用Morlet小波提取基頻波及二次諧波的幅值，計算相對聲學非線性因子。對比所取Lamb波模態在鋁板固有材料非線性表征中的不同性能，驗證只有對稱的Lamb波二次諧波具有累積傳播性質，為非線性Lamb波套用中的模態選取問題提供指導。
本文基於導波檢測技術實現了典型工程構件的定量損傷檢測，並對其中的關鍵問題(導波模態選取、頻率選取、導波信號分析等)進行深入探討。本文工作為工程實際中導波檢測技術的套用提供了理論指導，對於有效評估結構中不同尺度的損傷進而保障結構安全具有重要意義。
關鍵字：彎曲波，周嚮導波，非線性Lamb波，連續小波變換，裂紋檢測
