復合材料結(jié)構(gòu)全信息健康監(jiān)測方法研究中文摘要

復合材料在包括飛機機翼、風電葉片在內(nèi)的多類關(guān)鍵機電設備中均有著廣泛的應用，但是裂紋、分層等多種損傷形式均有可能對結(jié)構(gòu)造成災難性的破壞，因此復合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測受到了極大的關(guān)注。本項目首先從正問題建模入手，研究多場耦合作用下復合材料結(jié)構(gòu)建模方法，構(gòu)造適合復合材料分析的小波有限元單元，實現(xiàn)含損傷結(jié)構(gòu)的模態(tài)及應力波分析，揭示復合材料結(jié)構(gòu)在不同損傷作用下的動態(tài)響應機理。在此基礎上，開展反問題損傷辨識研究，為克服現(xiàn)有方法對健康結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)的依賴，擬研究在無健康數(shù)據(jù)參考下的模態(tài)損傷監(jiān)測方法；為有效感知局部損傷導致的應力應變變化，研究多場耦合狀態(tài)下?lián)p傷結(jié)構(gòu)應力波監(jiān)測方法；充分融合反映結(jié)構(gòu)中低頻的模態(tài)信息與高頻的應力波信息及相對應的不同類傳感器信息，實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)損傷的全信息監(jiān)測。通過本項研究，可為復合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供科學依據(jù)及實用技術(shù)，具有重要的理論意義和廣泛的應用價值。

復合材料結(jié)構(gòu)被廣泛應用于航空、航天及其他重要裝備中，然而其力學行為復雜，在多場耦合作用下?lián)p傷易發(fā)且形式多樣，需要開展在線監(jiān)測研究，“橫看成嶺側(cè)成峰，遠近高低各不同”，多樣的監(jiān)測信息為復合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了豐富素材，也為其理性實施帶來了巨大阻礙，如何有效利用信息、融合信息是制約復合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測有效實施的一大瓶頸。因此建立高精度數(shù)值模型對復合材料結(jié)構(gòu)的多場耦合行為形成準確的先驗信息，結(jié)合實際監(jiān)測信號，通過信息融合方法實現(xiàn)全信息結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，具有重要的學術(shù)意義和應用價值。本項目針對以上瓶頸問題，系統(tǒng)地研究了復合材料結(jié)構(gòu)全信息健康監(jiān)測方法，涉及正問題建模與反問題健康監(jiān)測兩方面。在正問題建模方面，研究了功能梯度、纖維增強兩大典型復合材料的小波有限元單元族一般構(gòu)造方法，構(gòu)造了多種結(jié)構(gòu)單元及實體單元，豐富了小波單元族；提出了偽并行算法和小波有限元GPU加速算法，降低了求解硬件需求并提升了求解效率；提出了多場耦合分析的交錯迭代更新算法，解決了多場耦合問題的數(shù)據(jù)一致性收斂問題；開展了典型復合材料結(jié)構(gòu)熱力耦合、流固耦合問題研究。在反問題層面，結(jié)合正問題先驗支持，提出了無基線譜曲率模態(tài)、偽譜曲率模態(tài)方法，解決了傳統(tǒng)曲率模態(tài)的噪聲敏感問題；提出了波數(shù)域濾波方法和尺度-波數(shù)域濾波方法，有效地抑制了噪聲對損傷特征的影響；結(jié)合稀疏理論，提出了結(jié)構(gòu)化稀疏方法及稀疏補償理論等時域稀疏方法，有效地凸顯了損傷特征；提出了相空間損傷識別理論，豐富了傳統(tǒng)復合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)涵；從信息融合角度提出了多變量信息融合及多步法損傷監(jiān)測，實現(xiàn)了復合材料結(jié)構(gòu)的全信息健康監(jiān)測。通過以上研究，發(fā)表論文23篇，SCI收錄18篇，ESI熱點論文1篇，ESI高被引論文2篇，EI收錄會議論文2篇，EI源刊1篇，會議論文2篇，相關(guān)成果申請并獲授權(quán)發(fā)明專利7項。項目主持人擔任SCI期刊專輯(IF: 1.239)主編、國際大會分會主席，并獲教育部技術(shù)發(fā)明一等獎1項。 2100433B

作為智慧地球計劃中物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是多個領(lǐng)域的熱點與前沿研究方向。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)運行積累了海量的動力響應數(shù)據(jù)，帶來了數(shù)據(jù)災難；而無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)也需要存儲和傳輸盡可能少的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)壓縮方法是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的重要研究課題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮遵循采樣定理，首先采集完整的數(shù)據(jù)，然后再進行壓縮，這種方法的效率較低。近年來，應用數(shù)學領(lǐng)域在壓縮采樣理論上的突破性進展，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測動力響應數(shù)據(jù)壓縮開辟了嶄新的途徑。本項目充分利用數(shù)學領(lǐng)域的相關(guān)進展，突破采樣定理的限制，研究結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測動力響應數(shù)據(jù)的壓縮采樣方法，即采集的數(shù)據(jù)既是被壓縮的數(shù)據(jù)。首先研究結(jié)構(gòu)動力響應數(shù)據(jù)稀疏分解的GA與MP混合算法，以及動力響應數(shù)據(jù)壓縮采樣和 Bayesian壓縮采樣方法；然后，分析壓縮采樣的數(shù)據(jù)重構(gòu)解壓誤差及其對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和損傷識別精度的影響；最后，研究在實際橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。

本項目在國內(nèi)外土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域首先開展了數(shù)據(jù)壓縮采樣的研究，研究了數(shù)據(jù)稀疏分解的正交匹配追蹤（OMP）算法，獲得信號的稀疏表示；由于結(jié)構(gòu)振動響應信號具有稀疏性，因此研究了結(jié)構(gòu)動力響應數(shù)據(jù)的壓縮采樣；研究了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測聲發(fā)射數(shù)據(jù)壓縮采樣的OMP算法；為增加無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜?，提出了基于壓縮采樣技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)丟失的恢復方法，并將算法嵌入到美國UIUC大學B.F. Spencer教授研制的Imote2無線傳感器里?？紤]測量噪聲，提出了Bayesian壓縮采樣方法。并進一步將壓縮采樣方法擴展用于具有稀疏解的系統(tǒng)識別反問題，提出了基于壓縮采樣理論與子結(jié)構(gòu)靈敏度分析的結(jié)構(gòu)損傷識別方法。研究成果采用山東濱州黃河公路大橋、哈爾濱松浦大橋以及國家游泳中心等現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了驗證，取得好的結(jié)果。項目研究成果可用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)壓縮，無線傳感器和傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)魯棒傳輸，具有稀疏解的系統(tǒng)識別問題。為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理的發(fā)展提供了新的思路，具有重要的理論意義和實際價值。 2100433B