内容简介
先进装备的发展对国家具有重大意义，先进装备结构健康监测是实现装备视情维护、单机监控、寿命预测及科学管理等一系列智能运维新技术的前提，智能运维不仅可以保障结构安全，更能极大提升结构效能，进而提升装备性能。导波结构健康监测是结构健康监测研究中的重要方法之一。《导波结构健康监测方法与实践》系统总结了作者团队30余年导波结构健康监测方面所发展的创新理论方法及典型应用案例，力求突出科学性、新颖性和实用性，旨在为相关研究和应用人员提供基础理论和实践经验的参考。
精彩书摘
第1章概述
本章*先从飞行器智能材料结构（smart material and structure，SMS）发展的角度梳理了结构健康监测（structural health monitoring，SHM）方法发展的起源、概念及发展要求。随后介绍了飞行器预测与健康管理（prognostic and health management，PHM）及飞行器结构健康管理的发展要求。在此基础上，介绍了已发展的多种结构损伤监测方法，通过对这些方法的分析对比，给出本书重点介绍的导波SHM方法的概念及优势。
1.1飞行器智能材料结构与健康监测
结构健康监测*早隶属于智能材料结构研究，并同智能材料结构研究构想一起被提出。因此，本节*先介绍智能材料结构的概念，并以此引出结构健康监测方法。同时从飞行器预测与健康管理角度出发，梳理结构健康监测在结构健康管理中的作用，特别是在结构损伤监测中的作用。
1.1.1飞行器智能材料结构
智能材料结构的概念*早来自对生物系统的模拟，从仿生角度，智能材料结构是将具有仿生命功能的器件融合于基体结构中，使制成的结构系统具有人们期望的智能功能，这种结构系统称为智能材料结构，如图1.1.1所示［15］。
图1.1.1具有仿生概念的智能材料结构
对智能材料结构的*初探索起源于飞行器领域。现代飞行器性能日益提高、飞行任务越发复杂，带来对其结构性能和效能的高要求，这使得新材料大量应用，其中*明显的就是轻质复合材料结构大量使用。同时，20世纪80年代末大规模集成电路技术进步显著，低功耗、小尺寸的器件实现成为可能。复合材料结构的制造方法为这些小尺寸器件与结构的集成带来可能，因此美国军方*先提出了智能材料结构这一全新设想和概念，随后世界各国都开展了大规模的研究。
从功能上讲，智能材料结构将传感元件、驱动元件以及微电子处理控制芯片与基体结构材料集成为一个整体，通过机械、热、光、化学、电、磁等作用，提取结构信息，并经处理后形成控制、激励，改变结构的形状、运动、受力状态等。这种新理念使得结构不仅具有承受载荷的能力，还具有多种参数的检测、监测能力，包括应变、损伤、温度、压力、声音、光波等，并在此基础上进行数据的传输、识别、分析、处理及控制等；进而能够动作，具有主动改变材料中的应力分布、强度、刚度、形状、电磁场、光学性能等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增殖、自衰减等能力。
智能材料结构的特点是集材料、结构与感知、驱动、控制等功能于一体，模糊了传统意义上的材料结构特性与功能特性的区别。传统的材料结构研究往往只注重力学特性，功能材料的研究则只侧重于电、磁等功能特性，而智能材料结构通过研究材料结构的力学和功能的耦合特性，赋予材料结构以智能属性。智能材料结构这一全新的结构特性与多功能特性一体化的结构设计思想的科学意义在于材料与结构的智能化，是具有突破性和革命性进展的前沿研究领域。
飞行器智能材料结构的研究主要包括五个方向，分别是智能材料与器件、结构健康监测、结构自适应减振降噪、自适应机翼和智能旋翼技术，其中后四个方面代表其智能化功能方向。智能材料结构方法被提出至今，越来越显示了其旺盛的生命力及重要性。如今其研究已延伸至舰船武器、机械结构、土木工程、医疗工程等其他领域，并逐步开始应用。
在智能材料结构的研究中，结构健康监测是非常重要的方向之一。结构健康监测主要面向各类高端装备系统与重大工程结构，具体涵盖航空航天器、船舶与潜艇、轨道交通车辆、汽车与工程机械等移动装备，以及桥梁、大坝、高层建筑、大型体育场馆等土木工程基础设施，同时还包括发电设备、输油输气管道等关键能源设施。通过监测研究，提升这些装备结构的设计效能以及安全性和可靠性，降低其维护费用和周期，延长使用寿命［6，7］。
1.1.2飞行器结构健康监测
1.1.2.1结构健康监测的概念
结构健康监测采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等，结合结构力学建模方法和先进信号信息处理方法，提取特征参数，识别结构状态及损伤，在此基础上评估结构可靠性，对结构损伤扩展及服役寿命进行预测，甚至对结构损伤进行控制及自愈合。
1.1.2.2飞行器结构健康监测对象
飞行器结构健康监测的对象包括可以反映结构健康状态的各类参数，主要包括以下大类：①载荷变形监测；②关键部位损伤监测；③事件及环境监测，具体监测对象如图1.1.2所示。主要包括：①结构载荷反演；②载荷循环监测；③结构变形监测；④金属裂纹监测；⑤金属腐蚀监测；⑥连接松动／断钉监测；⑦复材脱粘监测；⑧复材分层监测；⑨温湿度环境监测；⑩振动等参数监测；瑏瑡复材冲击监测等。
图1.1.2飞行器结构健康监测主要对象
目录
目录
第1章 概述 1
1.1 飞行器智能材料结构与健康监测 1
1.1.1 飞行器智能材料结构 1
1.1.2 飞行器结构健康监测 2
1.1.3 结构损伤监测的发展需求 3
1.2 飞行器结构预测与健康管理 7
1.2.1 预测与健康管理的概念 7
1.2.2 结构预测及健康管理的发展 9
1.3 飞行器结构损伤监测方法 14
1.3.1 压电结构健康监测方法 14
1.3.2 光纤结构健康监测方法 19
1.3.3 其他结构损伤监测方法 21
1.4 损伤监测要求及监测方法能力分析 23
1.4.1 飞行器结构损伤监测要求 23
1.4.2 结构损伤监测方法能力分析 24
1.5 导波结构健康监测方法的发展 26
1.5.1 导波结构健康监测发展脉络 26
1.5.2 导波结构健康监测关键方法 27
1.6 本书内容 28
参考文献 28
缩略词 30
第2章 结构中导波及其特性 31
2.1 弹性波及导波 31
2.1.1 体波 32
2.1.2 界面波 32
2.1.3 导波 34
2.2 导波的传播特性 34
2.2.1 导波模式及多模式特性 35
2.2.2 导波的群速度与相速度 35
2.2.3 导波的其他传播特性 37
2.3 结构中导波的产生及激励 42
2.3.1 冲击诱发导波 42
2.3.2 结构声发射信号 43
2.3.3 导波的主动激励 44
2.4 典型结构中的导波 48
2.4.1 典型金属结构中的导波 48
2.4.2 典型复合材料结构中的导波 51
2.4.3 复杂结构中的导波传播 53
2.5 导波传播速度获取方法 57
2.5.1 导波的时频成分提取方法 58
2.5.2 导波群速度获取方法 64
2.5.3 导波相速度获取方法 66
2.6 本章小结 69
参考文献 69
注释表 70
缩略词 71
第3章 导波SHM的建模仿真方法 72
3.1 导波SHM建模仿真概述 72
3.1.1 导波SHM建模仿真的作用 72
3.1.2 导波SHM建模过程 72
3.1.3 导波SHM主要建模方法 73
3.2 导波SHM建模仿真基础 75
3.2.1 弹性力学基本方程 75
3.2.2 压电方程 78
3.2.3 波动方程 80
3.3 导波SHM的解析建模 82
3.3.1 导波SHM解析建模方法 82
3.3.2 导波SHM解析建模案例 93
3.4 导波SHM的有限元数值仿真 94
3.4.1 常用仿真分析软件 94
3.4.2 基于COMSOL Multiphysics的导波SHM仿真分析方法 95
3.4.3 导波SHM仿真分析案例 97
3.5 典型结构损伤影响下的导波特性仿真 100
3.5.1 金属结构裂纹扩展下的导波仿真 100
3.5.2 复合材料结构分层损伤的导波仿真 103
3.6 本章小结 106
参考文献 106
注释表 107
缩略词 108
第4章 服役条件对导波传播的影响分析方法 109
4.1 飞行器常见服役条件 109
4.2 服役条件对导波传播的影响和机理分析 110
4.3 导波传播影响的仿真和实验分析方法 114
4.3.1 导波传播影响的仿真分析方法 114
4.3.2 导波传播影响的实验分析方法 118
4.4 导波信号的服役影响补偿 120
4.4.1 服役条件影响补偿原理 120
4.4.2 基准优化补偿方法 121
4.4.3 少量基准下的神经网络补偿方法 123
4.5 本章小结 129
参考文献 129
注释表 131
缩略词 131
第5章 导波SHM中的激励传感调控机制 132
5.1 导波激励传感调控的要求及机制 132
5.1.1 导波SHM中激励传感的要求 132
5.1.2 导波SHM中激励传感调控机制 132
5.2 导波激励传感网络设计及封装方法 133
5.2.1 导波传感器性能一致性控制方法 133
5.2.2 导波传感器柔性轻量化引线封装方法 137
5.2.3 柔性导波激励传感网络的结构共形设计 139
5.3 结构一体化集成及验证方法 140
5.3.1 导波激励传感网络与结构的集成方法 140
5.3.2 导波激励传感网络的可靠性验证方法 142
5.4 导波激励传感调控方法 146
5.4.1 导波信号模式调控方法 146
5.4.2 传感器网络布局优化方法 147
5.5 本章小结 151
参考文献 151
注释表 152
第6章 结构损伤的导波特征及诊断 153
6.1 导波的信号降噪处理 153
6.1.1 导波数字滤波器降噪原理 153
6.1.2 导波数字滤波器降噪案例 156
6.2 导波损伤因子提取方法 157
6.2.1 导波特征波段提取 158
6.2.2 导波损伤因子提取 160
6.2.3 导波损伤因子特性分析 163
6.2.4 导波损伤因子融合强化方法 168
6.2.5 导波损伤因子应用案例 170
6.3 基于损伤因子的诊断方法 171
6.3.1 损伤报警阈值及定量化关系标定 172
6.3.2 模式识别损伤诊断 174
6.3.3 神经网络损
试读
第1章概述
本章*先从飞行器智能材料结构（smart material and structure，SMS）发展的角度梳理了结构健康监测（structural health monitoring，SHM）方法发展的起源、概念及发展要求。随后介绍了飞行器预测与健康管理（prognostic and health management，PHM）及飞行器结构健康管理的发展要求。在此基础上，介绍了已发展的多种结构损伤监测方法，通过对这些方法的分析对比，给出本书重点介绍的导波SHM方法的概念及优势。
1.1飞行器智能材料结构与健康监测
结构健康监测*早隶属于智能材料结构研究，并同智能材料结构研究构想一起被提出。因此，本节*先介绍智能材料结构的概念，并以此引出结构健康监测方法。同时从飞行器预测与健康管理角度出发，梳理结构健康监测在结构健康管理中的作用，特别是在结构损伤监测中的作用。
1.1.1飞行器智能材料结构
智能材料结构的概念*早来自对生物系统的模拟，从仿生角度，智能材料结构是将具有仿生命功能的器件融合于基体结构中，使制成的结构系统具有人们期望的智能功能，这种结构系统称为智能材料结构，如图1.1.1所示［15］。
图1.1.1具有仿生概念的智能材料结构
对智能材料结构的*初探索起源于飞行器领域。现代飞行器性能日益提高、飞行任务越发复杂，带来对其结构性能和效能的高要求，这使得新材料大量应用，其中*明显的就是轻质复合材料结构大量使用。同时，20世纪80年代末大规模集成电路技术进步显著，低功耗、小尺寸的器件实现成为可能。复合材料结构的制造方法为这些小尺寸器件与结构的集成带来可能，因此美国军方*先提出了智能材料结构这一全新设想和概念，随后世界各国都开展了大规模的研究。
从功能上讲，智能材料结构将传感元件、驱动元件以及微电子处理控制芯片与基体结构材料集成为一个整体，通过机械、热、光、化学、电、磁等作用，提取结构信息，并经处理后形成控制、激励，改变结构的形状、运动、受力状态等。这种新理念使得结构不仅具有承受载荷的能力，还具有多种参数的检测、监测能力，包括应变、损伤、温度、压力、声音、光波等，并在此基础上进行数据的传输、识别、分析、处理及控制等；进而能够动作，具有主动改变材料中的应力分布、强度、刚度、形状、电磁场、光学性能等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增殖、自衰减等能力。
智能材料结构的特点是集材料、结构与感知、驱动、控制等功能于一体，模糊了传统意义上的材料结构特性与功能特性的区别。传统的材料结构研究往往只注重力学特性，功能材料的研究则只侧重于电、磁等功能特性，而智能材料结构通过研究材料结构的力学和功能的耦合特性，赋予材料结构以智能属性。智能材料结构这一全新的结构特性与多功能特性一体化的结构设计思想的科学意义在于材料与结构的智能化，是具有突破性和革命性进展的前沿研究领域。
飞行器智能材料结构的研究主要包括五个方向，分别是智能材料与器件、结构健康监测、结构自适应减振降噪、自适应机翼和智能旋翼技术，其中后四个方面代表其智能化功能方向。智能材料结构方法被提出至今，越来越显示了其旺盛的生命力及重要性。如今其研究已延伸至舰船武器、机械结构、土木工程、医疗工程等其他领域，并逐步开始应用。
在智能材料结构的研究中，结构健康监测是非常重要的方向之一。结构健康监测主要面向各类高端装备系统与重大工程结构，具体涵盖航空航天器、船舶与潜艇、轨道交通车辆、汽车与工程机械等移动装备，以及桥梁、大坝、高层建筑、大型体育场馆等土木工程基础设施，同时还包括发电设备、输油输气管道等关键能源设施。通过监测研究，提升这些装备结构的设计效能以及安全性和可靠性，降低其维护费用和周期，延长使用寿命［6，7］。
1.1.2飞行器结构健康监测
1.1.2.1结构健康监测的概念
结构健康监测采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等，结合结构力学建模方法和先进信号信息处理方法，提取特征参数，识别结构状态及损伤，在此基础上评估结构可靠性，对结构损伤扩展及服役寿命进行预测，甚至对结构损伤进行控制及自愈合。
1.1.2.2飞行器结构健康监测对象
飞行器结构健康监测的对象包括可以反映结构健康状态的各类参数，主要包括以下大类：①载荷变形监测；②关键部位损伤监测；③事件及环境监测，具体监测对象如图1.1.2所示。主要包括：①结构载荷反演；②载荷循环监测；③结构变形监测；④金属裂纹监测；⑤金属腐蚀监测；⑥连接松动／断钉监测；⑦复材脱粘监测；⑧复材分层监测；⑨温湿度环境监测；⑩振动等参数监测；瑏瑡复材冲击监测等。
图1.1.2飞行器结构健康监测主要对象
