全方位可调宽频带柔性DE-IDT阵列大面积SHM方法

In order to improve the large-scale detection requirements of composite materials and further improve the detection sensitivity and imaging accuracy, such problems as the weak actuating force of PVDF- interdigital transducer (IDT) and complex damage characteristics in the composite structure health monitoring (SHM) system were proposed. Based on the research of high-performance orthotropic piezoelectric fiber composite (OPFC) IDT construction theory and related technologies, a flexible dielectric elastomer (DE) substrate and compliant electrode with adaptive function was proposed innovatively. The omni-directionally adjustable broadband flexible DE-IDT and its relative actuator /sensor array, through numerical simulations, theoretical calculations and experimental verification, have studied their coupling mechanisms and structural parameters with the composite materials under force-electric coupling. Optimized design theory, 3D printing precision preparation process and its performance calibration program were also studied. The resulting DE-IDT array has features such as full excitation and reception, wide frequency band, high elasticity, high power density, high electromechanical coupling efficiency, and is easy to arrange and plant. The separation of wide-band guided wave signals, damage signature signal extraction algorithms and SHM experimental platform were constructed. A new frequency-wavenumber (f-k) domain multi-modal beam-forming damage fusion imaging method in composite materials was developed. The relevant theories and technical systems of damage imaging resulting in comprehensive evaluation of composite materials have important academic significance and engineering application value.

为改善复合材料结构大范围检测需求，进一步提高检测灵敏度和成像精度，本项目针对结构健康监测(SHM)系统中的PVDF叉指式换能器(IDT)存在弱驱动力及复杂损伤特征等问题，在研究正交异性压电纤维复合材料(OPFC)IDT构造理论及相关技术的基础上，提出了一种全方位可调宽频带柔性DE-IDT及阵列驱动/传感器件，通过数值仿真、理论计算和实验验证等方法，研究其在力电耦合作用下与被测构件的耦合机制、结构参数优化设计理论、3D打印加工工艺及其性能标定方案，所形成的DE-IDT阵列具有全方位激发与接收、宽频带、高弹性、高电能密度和高机电耦合效率等特性；构建自适应波束成形及宽频带导波信号的模态分离及损伤特征信号提取算法和SHM实验平台，研究复合材料中新型频率-波数(f-k)域多模态波束成形损伤融合成像方法，所形成的全面评价复合材料损伤成像的相关理论及技术体系具有重要的学术意义和工程应用价值。

在现有压电正交异性纤维复合材料超声相控阵检测理论及相关技术研究工作的基础上，基于导波激励的基本原理，优化设计全方位宽频柔性介电弹性体叉指换能器（Dielectric Elastomer- Interdigital transducer，DE-IDT）及研究相应的性能标定方法，以解决传统IDT频率固定及方向单一的不足，将全方位宽频柔性 DE-IDT 应用于环形相控阵列配置中，并进行相应的阵元参数优化设计。主要内容为：a.针对设计的不同尺寸的梯形叉指换能器 （Trapezoidal Interdigital Transducer，TIDT），运用模拟软件构建三维模型，分析了在不同基底厚度和基底材料下水平方向的应力应变图，得出优化的几何尺寸。通过丝网印刷按照优化设计制作基底为聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)的TIDT，通过实验分析了TIDT的驱动性能（正交异性、频率响应）和传感性能。b.研究一种基于介电弹性体的变间距环形柔性IDT，具有频带宽、全方位信号采集的功能。通过有限元数值计算对PVDF基底及DE基底的全方位柔性IDT进行了结构优化设计，并优选出适应于全方位柔性IDT的3D打印精密加工方法。c.采用分模态叠加损伤成像方法，综合考虑导波多种模态成分对于损伤成像的贡献，以提高损伤成像精度。结合f-k域中不同模态的分布特性以及频率波数矩阵与导波场的对应关系，构建三维窗函数实现不同模态损伤反射场的提取。结合“一发多收”接收模式下的相控阵共源法(Common Source Method, CSM)时域及f-k域损伤成像方法，实现单一模态的铝板及正交各向异性复合材料的损伤成像。根据不同模态对于损伤的灵敏度不同，成像结果具有差异，因此提出相关系数相加、相乘及加乘组合数据融合方法，将不同的模态的成像结果融合，有效提高损伤的成像精度。d.设计了一种全方位的环形双层柔性基底的宽频带的IDT并将其优化形成环形阵列，并对单个环形柔性IDT及其阵列的频率响应特性、全方位特性、距离衰减特性以及振动输出响应等传感特性做了标定，基本实现宽频带、全方位的特性，并将其应用于结构的成像检测中。本项目为复杂结构损伤检测的精确成像提供有效的理论及技术体系，并形成自主知识产权的理论及技术成果。

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