《重大工程结构损伤在线监测虚拟仿真实验》是面向仪器类专业开设的专业综合性实验。实验设计来源领域前沿与重大技术需求，通过理论建模与场景重构，实现在实验室内无法完成的复杂场景下飞行器等在役工程结构动态信号测量、测试信号分析与处理、结构损伤监测与定位等测控方法与仪器系统设计。项目设计与实施充分体现测控技术与仪器专业内涵和前沿，着力复杂工程测试能力和创新思维的培养。

结构健康监测技术是近些年来发展起来的一项前沿交叉技术，其核心思想是运用先进感知技术，设计主被动方法实时在线获取与结构状况相关的信息，并结合信号处理和材料结构力学建模等技术，提取特征参数，识别结构的状态，实现结构健康诊断。该技术对于保障航空航天、高铁等工程结构安全运行，避免重大人员与财产损失，提高设备结构维护效率，延长结构使用寿命，降低运行成本，具有重要的意义，已成为当前重要的产业技术需求。因此，实验项目响应当前国家对测控前沿重要技术领域专门人才的需求，实用性强，意义重大。本实验项目的实施，将训练学生综合运用测试测量、仪器设计等专业知识，解决实际工程结构安全性的安全性测试与评估问题。

实验教学目标包括：

①培养学生严格的科学态度和科学的工作方法，强化安全意识；

②能认识并掌握实际工程结构损伤测试中的压电传感器及动态响应感知网络、工程信号采集与处理、响应特征分析与提取、损伤监测方法、测试误差分析方法等知识；

③能正确分析测控对象和测控问题，综合运用传感器技术、电子测量、测试信号处理和虚拟仪器技术等多门课程知识，探究监测机理，完成测控系统设计搭建、算法设计和验证，具备较好的实践动手能力，并初步具备解决复杂工程测试的能力。

1）实验技术思想

本实验的技术思想来源于前沿的智能结构与结构健康监测技术，其基本思路如图1所示。

图1实验技术思想

通过将传感器/驱动器网络集成在结构材料中，监测结构的应力、应变、载荷、位移等状态参数及温湿度、压力等环境参数，通过结构响应分析，从而获得结构健康状态信息。

2）实验采用的技术手段

实验采用结构健康监测领域的热点——超声导波结构损伤监测理论，开展实验设计和方法探究。板壳类结构中的超声导波，也称为Lamb波，其传播特殊性在于频散及多模特性，存在对称及反对称两类模式，其频散方程如下：

（1）

其中，p² = ω²/c_L² – k²，q² = ω²/c_T² – k²，k为波数，c_L和c_T分别为纵、横波波速。

3）核心数据模型

由于导波传播存在多模及频散特性，需采用窄带激励，且选择以激发出单一模式为主的响应信号，当采用压电元件作为激励器和传感器时，结构中的超声导波激励、传播理论模型可描述为：

(2)

式中，u为位移量，a为压电片半径，τ₀为耦合剪应力，G为耦合胶层剪切模量，N_S、D’_S、N_A、D’_A为幅值相关项。根据上述方程，结合重大工程结构实测数据频散曲线基础上，可以建立超声导波激励、传播与传感模型，包括损伤作用模型，进而实现对实际对象中的监测响应信号的仿真输出。

4）监测方法原理

主动导波结构损伤监测是最为常用的监测方式。其原理如2所示，通过集成在结构上的压电激励/传感网络，在结构中激发一定的超声导波信号，根据判别结构损伤前后的响应信号变化，实现损伤的发生情况判别和定位。

图2主动导波结构损伤监测基本原理

基于上述主动导波结构健康监测原理实现的超声导波健康监测系统，其框架如图3所示。

损伤判定可以采用差信号或信号相关性来实现，信号相关可采用皮尔逊相关系数(Pearson Correlation Coefficient)法获得：

（3）

损伤定位方法包括两大类，几何定位法和成像搜索法。几何定位法中，四点圆弧定位法是一种典型的算法，其定位原理图4所示，通过求解方程（4），可以获得损伤位置信息（方程中各参数如图4所示）：

（4）

图3主动导波结构健康监测系统示意图

图4四点圆弧定位法原理图

实验采用典型的时间反转成像方法作为损伤成像搜索方法，基本原理如图4所示，算法首先获得各监测通道的损伤散射信号，其次按照结构情况建立微元图像矩阵S，最后按照式（5）对图像矩阵中各点进行赋值：

（5）

其中A_n为权值系数，f_n为损伤散射信号，t₀为输入激励信号并采集监测信号的时刻，v为超声导波传播波速，fv为图像分辨率，其他符号可以用图5说明。

图5合成时间反转成像法原理

5）知识点

根据上述实验原理描述，通过实验训练，学生掌握的主要知识点共8个：

1）压电传感器及其信号测试方法；

2）多通道主动监测系统设计；

3）工程信号采集；

4）复杂工况下的工程结构响应信号分析与处理；

5）工程测试信号特征分析与提取；

6）测试算法设计与实现；

7）测量误差分析与消除方法；

8）机械结构力学基础。

重大工程结构损伤在线监测虚拟仿真实验平台包括以下模块：实验简介、仪器设备认知、监测系统搭建、监测原理探究、损伤在线监测、实验报告。每个模块中各包含若干步骤和内容，实验者按照模块顺序完成全部或部分的实验项目。

通过步步引导、层层递进的实验设计，引导学生学习相关背景知识，梳理专业基础理论，积极思考问题，并展开方案的设计和讨论，并在各个实验环节的测评结果指引下，一步一步的完善设计方案和算法，最终达到预期的实验效果。

1）实验简介模块：学生通过对实验目的、实验意义、实验原理及超声导波监测理论的学习和浏览，围绕“什么是测”，了解和理解本实验的相关教学内容和教学目标，并梳理与本实验相关的知识点，为后续的实验开展提供理论基础。

2）仪器设备认知与监测系统搭建模块：以虚拟化的工程测试场景为背景，学生通过漫游等方式，围绕“用什么测”，了解真实工程测试的环节和对象，并对测试相关的设备、模块进行学习和认知；按照给出的超声导波监测原理和系统框架，设计完成监测系统的搭建，为后续的实验提供实验设备条件。

3）监测原理探究模块：基于虚拟仿真平台提供的数据模型，学生通过参数调整和波形分析，围绕“测什么”，借助于信号分析模块，对超声导波的激励、传播以及损伤作用情况进行直观的探究和分析，找出超声导波响应信号传播规律和损伤作用基本规律，理清测试过程中需要关注的特征。

4）损伤在线监测模块：分为两个阶段展开，第一个阶段，针对监测对象C919国产大飞机机翼部件，选择监测部位，开展系统布置和监测参数设计，并依据最终设计的测试方案和参数，记录结构无损状态下的响应数据，为后续在线监测提供参考；第二阶段，学生选择结构所处的不同工况，在突发事件提示下，自动采集结构响应，并通过信号分析和处理，对比无损条件下的结构响应，对损伤发生情况进行判定，并进行损伤位置的定位算法设计和计算。学生通过全流程的实验操作和分析，最终掌握“怎么测”这一核心要素。

5）实验报告模块：学生在完成全部的操作之后，在实验报告模块，可以获取到各个步骤的实验结果得分，并通过对比标准数据，全面掌握实验全流程的操作情况，并根据得分，学生可返回上述模块步骤，不断改进优化方案设计与参数，从而强化和培养学生开展工程测试的能力。