哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
曲面板构件常用于大型飞机机翼、风机叶片等结构上，受循环荷载和极端
温度影响，极易产生损伤缺陷，带来严重的安全隐患，因此发展一种高效的曲
面板损伤检测技术意义重大。针对曲面板局部损伤，传统的超声波检测和导波
检测方法，都存在着信号信噪比低、监测信号信息维度偏低等问题。相控阵超
声导波检测技术具有聚焦与合成波形的能力，可实现快速损伤检测和定位，提
高信号信噪比与信息量。但目前，相控阵超声导波技术的探索还相对较少，对
其在曲面板中的传播机理和损伤识别的系统性理解尚且缺乏。本文将周向类
Lamb波（CLT波）与相控阵技术结合，采用理论推导、数值仿真、试验验证以
及深度学习的方法，对其在曲面板中的传播机理进行研究，并致力于实现损伤
的检测、定位以及量化。本文研究内容如下：
研究了曲面板中CLT波的传播特性，绘制其频散曲线，分析了基于单模态
CLT波进行损伤识别的可行性，并在后续的研究中以此为损伤指标。设计了主
被动相控阵阵元布置方案，基于此对曲面板中的相控阵超声导波聚焦理论和反
射理论进行了严谨推导。
利用ABAQUS软件进行了曲面板的建模，基于模拟仿真的结果分析了相控
阵超声导波在曲面板上的传播机理，通过提取传播时间探索了损伤检测和定位
的方法。搭建了多通道同步激发的相控阵超声导波实验系统，通过在铝板上的
人工切削以模拟损伤，验证了方法的有效性与有限元模型的准确性。
分析了曲面板曲率、损伤位置和损伤尺寸对相控阵超声导波传播的影响。
曲面板曲率的变化对相控阵超声导波的传播影响非常有限，证明了相控阵超声
导波方法对各种单曲率曲面板具有普遍适用性。损伤位置的变化与相控阵超声
导波传播路径的关系，会影响到损伤检测和定位的准确度。损伤反射波的强度，
与损伤宽度成正相关，与损伤定位准确度成负相关。
基于有限元模型生成了各种工况下的数据库，利用数据库训练神经网络模
型以进行损伤量化分析，对比了基于相控阵超声导波反射理论的量化方法，发
现深度学习方法至少提高了约10%的准确度，其泛化能力和鲁棒性更强。
本课题的研究证明了相控阵超声导波方法对曲面板构件的普遍适用性和损
伤识别性能，具备应用于曲面板结构实时健康监测的潜力。
关键词:超声导波；相控阵；损伤定位；损伤量化；深度学习；结构健康监测
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Curvedplatesarefrequentlyusedinaerospaceengineeringstructures,wind
turbineblades,etc.Thecurvedplatesofthesestructuresaretypicallyoperatedunder
cyclingloadsandextremetemperatures.Theharshserviceenvironmentmayresultin
cracksorcollapsefailures.Therefore,itisnecessarytofindaneffectivemethodto
determinethehealthstatusoftheseplates.
Asforthemonitoringofthesecurvedplates,traditionalmethodsincluding
ultrasonictestingandguidedwavetestinghavedifficultiesindamageidentification
forlowsignal-noise-ratio(SNR)andinsufficienthigh-qualitywaveinformation.A
newmethod,thephasedarrayguidedwave(PAGW)technique,canra