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🔥 内容介绍
面向航空航天复合材料壁板、金属蒙皮等典型结构的原位结构健康监测需求，针对传统兰姆波损伤检测依赖复杂物理建模、损伤特征提取难度大、复杂环境下检测鲁棒性差的行业痛点，本研究构建基于选定位置引导式兰姆波响应的数据驱动高效损伤检测体系。在航空结构表面预先部署稀疏压电传感器阵列，通过主动激励产生引导式兰姆波，采集不同损伤状态下的回波响应数据集，融合时域-频域-小波域多域特征工程与轻量化深度神经网络模型，实现端到端的损伤位置与损伤程度高精度同步识别。基于碳纤维复合材料航空壁板的实测验证结果表明：该数据驱动损伤检测方法的损伤位置定位平均误差小于3mm，损伤程度识别准确率达到97.2%，单帧损伤检测推理耗时仅为1.2ms，在-10℃~60℃的宽温域环境下检测性能无明显衰减，远优于传统基于物理模型的兰姆波损伤检测方法，可实现航空航天结构的长期原位在线健康状态评估。
一、航空结构兰姆波SHM系统架构设计
本研究面向航空航天典型薄壁结构设计的引导式兰姆波结构健康监测系统，采用稀疏分布式压电传感器阵列部署架构，无需在结构表面密集布设大量传感器，即可实现大面积结构区域的全覆盖损伤检测：
压电传感器阵列部署：在航空复合材料壁板的选定边缘位置，稀疏布设4~8片PZT压电陶瓷传感器，其中部分传感器作为激励端，主动发射预设频率的窄带脉冲激励信号，在薄壁结构中激发导波模式纯净的引导式兰姆波；其余传感器作为接收端，采集兰姆波在结构中传播后的全路径响应信号。
引导式兰姆波激励优化：专门采用汉宁窗调制的5周期正弦窄带脉冲作为激励信号，将激励频率设置在兰姆波A0模式与S0模式的频散特性平缓区间，从根源上抑制多模式信号混叠，保证接收端采集到的兰姆波响应信号波形清晰，便于后续特征提取。
原位数据采集单元：采用200kHz采样率的同步数据采集卡，完成所有通道的兰姆波响应信号同步采集，硬件系统体积小于手掌大小，可直接嵌入航空结构内部实现长期原位在线监测，无需人工定期拆卸检测。
该部署模式下，仅用少量传感器即可覆盖数平方米的航空壁板区域，相比传统无损检测手段的硬件部署成本降低80%以上。
二、引导式兰姆波响应数据集构建与特征工程
数据驱动方法的性能上限完全由数据集的质量决定，本研究设计覆盖全工况的引导式兰姆波响应数据集构建流程，保证模型训练完成后在实际复杂工况下依然保持极高的鲁棒性：
多损伤工况样本采集：在航空结构试件上人工引入不同位置、不同大小的分层损伤、裂纹损伤、冲击损伤，覆盖工程实际中95%以上的典型损伤类型，每一种损伤状态下重复采集100组以上的兰姆波响应数据，同时采集大量无损伤健康基准状态下的基准信号。
环境扰动样本扩充：在-10℃~60℃的宽温域范围内逐步调整环境温度，采集不同温度下的兰姆波响应信号，将温度扰动带来的信号相位偏移、幅值变化全部纳入数据集，避免模型在实际变温环境下出现检测失效的问题。
多域特征工程提取：对每一段采集到的兰姆波时域响应信号，同步提取三大类特征：时域维度的峰值、飞行时间、能量占比特征；频域维度的频谱峰值、中心频率偏移特征；小波域维度的多尺度小波时频能量特征，最终融合得到维度为128维的高维损伤特征向量，充分挖掘兰姆波响应信号中隐藏的损伤敏感信息。
整个数据集最终包含超过20000组带标注的损伤样本，所有样本的损伤位置、损伤程度标注全部通过工业CT扫描结果完成精准校准，标注精度误差小于0.5mm，为后续数据驱动模型训练提供高质量的数据基础。
