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风力机叶片大量采用复合材料制作,在生产和运行中常发生裂纹损伤,将给风电机组运行带来重大的安全隐患。Lamb波以其传播距离远及对细微损伤敏感性高,被认为在复合材料损伤检测中最具有应用前景。类似“应变花”结构,采用方向性压电纤维传感器能够识别Lamb波传播的主应变方向。理论上,两组压电纤维传感器确定的Lamb波传播主应变方向的交点即为损伤位置,进而实现损伤定位。相比传统基于飞行时间的损伤定位方法,基于主应变方向识别的方法将更为简单准确。然而,在各向异性复合材料中,Lamb波传播的主应变方向与群速度方向(传播方向)并不相同,存在一定的偏差。因此,论文开展了复合材料板中Lamb波传播特性和裂纹对Lamb波的散射特性分析;建立了复合材料板中Lamb波主应变方向与群速度方向之间的映射关系,并掌握了不同入射波方向、裂纹长度对Lamb波散射特性的影响规律;提出了基于压电纤维传感器Lamb波群速度方向识别的裂纹定位方法,利用压电纤维传感器阵列实现复合材料板裂纹定位,为复杂结构大面积缺陷检测提供基础理论。论文的主要研究内容包括如下三个方面:(1)采用二阶Mindlin板理论推导了Lamb波在复合材料板中的频散方程,通过数值求解获得不同传播方向上的Lamb波频散曲线;利用有限元仿真分析,研究了复合材料板铺层方式对Lamb波群速度、幅值响应以及主应变方向的影响,获得了不同铺层方式下Lamb波主应变方向与群速度方向之间的变化规律,为复合材料板Lamb波群速度方向的识别提供理论基础。(2)考虑裂纹的方向性,仿真分析了不同入射波方向、裂纹长度对Lamb波散射的影响,掌握Lamb波与不同裂纹形式作用的散射特征,为传感器阵列布局提供理论基础;基于匹配追踪算法,利用汉宁窗调制的五周期正弦波原子函数构建字典库,有效提取Lamb波与裂纹作用的散射特征信号,为裂纹定位实验提供有利分析工具。(3)基于压电方程,推导了单根压电纤维的方向传感响应特性;借鉴“应变花”原理,利用压电纤维传感器中三根纤维的电压响应幅值,推导了主应变方向的计算公式;根据复合材料板中Lamb波主应变方向与群速度方向的映射关系,通过对主应变方向修正获得Lamb波群速度方向,利用群速度方向的交点来判断裂纹位置,进而通过压电纤维传感器阵列实现对裂纹准确定位。