基于碳纳米管薄膜电阻抗成像的复合材料结构损伤识别

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1、中图分类号：V214论文编号：102870118-S072学科分类号：080104硕士学位论文基于碳纳米管薄膜电阻抗成像的复合材料结构损伤识别研究生姓名杨周杰学科、专业工程力学研究方向结构健康监测指导教师严刚副教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringDamageDetectionforCompositeStructuresbyUsi

2、ngCarbonNanotubeFilmandElectricalImpedanceTomographyAThesisinEngineeringMechanicsbyZhoujieYangAdvisedbyAssociateProf.GangYanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注

3、和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要复合材料以其一系列的优点在航空航天领域得到了普遍应用，但复合材料结构在制造和使用过程中不可避免地会产生损伤，威胁结构的使用安全，因此近年来复合材料结构健康监测的相关技术得到广泛关

4、注。随着纳米技术的飞速发展，碳纳米管因其良好的自感应能力逐渐被应用在复合材料结构健康监测领域。基于此，本文提出将碳纳米管薄膜作为智能感知层，布置在复合材料结构层间或表面，结合电阻抗成像技术，根据碳纳米管薄膜边界电压值的变化，重建损伤引起的电导率变化分布图像，以确定结构损伤情况。本文的主要研究工作有：首先，对碳纳米管薄膜与复合材料集成后的力学性能进行了实验研究，探讨了碳纳米管薄膜对复合材料层间断裂韧性的影响。其次，在深入理解电阻抗成像系统相关电磁场理论的基础上，建立了电阻抗成像正问题的数学模型，并通过有限元法对正问题进行求解。

5、然后，对电阻抗成像重建算法进行了研究，介绍了传统的Tikhonov正则化，并选用L曲线法和GCV准则确定恰当的正则化参数；提出了一种基于贝叶斯正则化的电阻抗成像算法，能够自适应地确定正则化参数，实现损伤的稳定成像识别；采用了基于L1范数正则化的最小二乘法重建损伤引起的电导率变化分布图像，结合内点法进行反演，更好地确定损伤边界范围。接下来，结合通用有限元软件ANSYS对基于碳纳米管薄膜的复合材料损伤识别进行数值仿真分析，根据所得数据，利用以上三种正则化方法分别进行损伤重建，比较各算法的重建图像质量，验证了该实验方案的可行性。最

6、后，开发了一套电学成像实验测试系统并进行了相关实验研究，分别考虑玻璃纤维层合板的孔洞损伤和复合材料无人机机翼的低速冲击损伤两种形式，实验结果验证了本文所提出方法的可行性和有效性。关键词：结构损伤识别，碳纳米管薄膜，电阻抗成像技术，正则化方法，复合材料本文工作得到国家自然科学基金（项目编号：11602104）、机械结构力学及控制国家重点实验室自主课题项目（项目编号：0216Y01）、南京航空航天大学基本科研业务费项目（项目编号：NS2016011）的资助。本文工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。I基于碳纳米管薄膜电阻抗

7、成像的复合材料结构损伤识别ABSTRACTInrecentyears，compositeshavebeengenerallyappliedinthefieldofaeronauticsandastronauticswiththeiraseriesofadvantages.However,compositestructureshavedefectsduringmanufacturingandaredamagedinusinginevitably,whichthreatensthesafetyofthestructures,so

8、thetechnologiesrelatedtothestructurehealthmonitoring(SHM)ofcompositeshaveattractedwidespreadattention.Alongwiththerapiddevelopmentofnanotechnolog