Technical Papers and Presentations

将结构健康监测（SHM）应用于机器结构故障检测是近些年发展的新方法，其优点是可以在线监控结构的“健康”状况。本文提出并研究了一种内嵌微管的高效结构健康监测（e-SHM）系统。结合快速成型技术，将微管嵌入结构内部，当对微管施加一定压力（真空或过压）时，闭合微管中的压力变化将变得极其敏感。当结构裂纹扩展到微管时，该处因压差瞬间产生压力变化，进而通过微管传播，最终信号被设置的压力传感器接收。通过实时监测微管的压力变化，便可实现结构裂纹的实时检测。本文的主要工作包括两个方面：（1）压力泄漏与负压波传播模型的设计与仿真。基于负压波的 e-SHM 系统齿轮的损伤监测的理论推导，包括负压波的产生原理和负压波在微管中的传播过程。建立了直管泄漏的负压波仿真模型，并在 MATLAB 环境下编程实现。基于传感压力二维曲线图分析了仿真结果的识别精度等级，验证了基于负压波的 e-SHM 系统的损伤监测的可行性。（2） e-SHM 系统齿轮模型的设计与仿真。针对齿轮的对称形式及其易齿根易产生疲劳裂纹的特点， e-SHM 齿轮模型的设计采用环状插管形式。利用 COMSOL Multiphysics® 对齿轮微管模型进行气体动力学的有限元仿真，以证明其可行性。类比直管泄漏的负压波仿真模型，并在 MATLAB 环境下编程实现环管泄漏模型。基于压力轮图分析仿真结果识别精度等级，证明了基于负压波的 e-SHM 系统的齿轮损伤监测的可行性。相较于传统的 SHM 系统，本文提出的系统可以减少对早期故障发生误判漏判的可能性。此外，内嵌传感结构减少传感器布置数量，可以大大降低系统维护成本和安装成本。