復合材料板結構的損傷監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種復合材料板結構的損傷監測方法，屬于復合材料板結構的損傷監測【技術領域】，為解決現有方法效率低、精度差、無法對多損傷同時識別等問題而設計。本發明復合材料板結構的損傷監測方法是基于壓電元件和Lamb波的損傷監測方法，該方法使用損傷因子法對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷，然后對預判存在有損傷的區域進行成像以確定損傷的準確位置。本發明復合材料板結構的損傷監測方法能夠節省大量的監測時間，提高了監測效率，可實現多損傷的定位，增強了對損傷數量和位置判斷的準確性。
【專利說明】復合材料板結構的損傷監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種復合材料板結構的損傷監測方法。
【背景技術】
[0002]復合材料板因其比強度高、比剛度大、抗疲勞性能好以及材料性能可設計等優點而在航空、航天、汽車等工程領域中廣泛應用。但是，較低的層間剪切強度和垂直平面方向的拉伸強度使得復合材料板中容易發生脫層損傷。脫層會使得壓縮強度和剛度顯著下降，導致承載能力降低。
[0003]為了對復合材料板中的各種損傷進行識別、定位以預測結構壽命、進行結構維護，傳統上使用敲擊、超聲、X射線、電渦流射線、電位測量以及熱應力場等方法具有難以做到服役環境下的實時在線監測、對檢測人員的專業知識和經驗要求高等問題。而基于埋入或粘貼在表面的壓電元件主動Lamb波方法則具有對小損傷敏感、以及可實時、在線監測等優點。
[0004]現有基于壓電元件和Lamb波的板結構損傷監測方法是提取波達時間進行損傷定位，容易受到環境噪聲、采集誤差、復雜結構形式(例如孔或加強筋)、以及材料屬性等的影響，無法準確提取損傷散射波包的到達時間。而且，由于邊界反射的影響，當損傷發生在靠近邊界位置的時候，邊界反射信號與損傷反射信號的混疊使得散射波包到達時間無法提取。另外，現有的損傷監測方法和成像方法較少涉及到多個損傷的同時識別以及定位，并且整個監測區域每個點的像素值計算嚴重降低了損傷監測的效率。
【發明內容】
[0005]本發明的一個目的是提出一種效率更高的復合材料板結構的損傷監測方法。
[0006]本發明的另一個目的是提出一種對損傷數量判斷更加準確的復合材料板結構的損傷監測方法。
[0007]本發明的另一個目的是提出一種損傷定位更加精確的復合材料板結構的損傷監測方法。
[0008]為達此目的，本發明采用以下技術方案:
[0009]一種復合材料板結構的損傷監測方法，所述方法是基于壓電元件和Lamb波的損傷監測方法，所述方法使用損傷因子法對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷，然后對預判存在有損傷的區域進行成像以確定損傷的準確位置。
[0010]特別是，對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷包括下述步驟:
[0011]步驟S1、采集并存儲待監測復合材料板結構的健康Lamb波信號H(t)；
[0012]步驟S2、將待監測復合材料板結構上劃分為N個待監測的子區域Q，N為大于等于I的正整數；i賦值為I ;
[0013]步驟S3、實時采集待監測復合材料板結構的監測Lamb波信號D(t)；
[0014]步驟S4、使用損傷因子法判斷第i個子區域Qi內是否有損傷，無損傷則轉至步驟S5 ;有損傷則記錄第i個子區域Qi為含損傷子區域Qs，轉至步驟S5 ；
[0015]步驟S5、判斷i是否大于等于N，是則轉至步驟S6 ;否則i賦值為i+Ι，轉至步驟S4；
[0016]步驟S6、依次判斷每個含損傷子區域Qs中的損傷是否位于區域的邊界上，是則判斷其是否與相鄰子區域形成融合子區域；否則判定為獨立子區域；
[0017]步驟S7、結束。
[0018]特別是，步驟S6中判定含損傷子區域Qs為融合子區域或獨立子區域的方法包括下述步驟:
[0019]步驟S61、比對含損傷子區域Qs中直達波段損傷因子最大值出現的位置，當所述最大值Max-Qs出現在對角D的激勵/傳感通道時，判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ;當所述最大值Max-Qs出現在邊界B的激勵/傳感通道時,轉至步驟S62 ；
[0020]步驟S62、判斷出現所述最大值Max-Qs的邊界B是否為待監測復合材料板結構的邊界，是則判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ;否則轉至步驟S63 ；
[0021]步驟S63、查看與所述含損傷子區域Qs擁有共同所述邊界B的子區域Qx內是否含有損傷，是則轉至步驟S64 ;否則判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ；
[0022]步驟S64、判定子區域Qx中直達波段損傷因子最大值Max-Qx是否出現在含損傷子區域Qs和子區域Qx的共同邊界處，是則判定含損傷子區域Qs和子區域Qx為融合子區域；否則判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ；
[0023]步驟S65、結束。
[0024]特別是，包含有損傷的融合子區域和包含有損傷的獨立子區域的數量和為待監測復合材料板結構上的損傷總數。
[0025]特別是，在步驟S4中，設定判定損傷的閾值Y，當損傷因子數值>閾值Y時，判定第i個子區域Qi內有損傷；當損傷因子數值<閾值Y時，判定第i個子區域Qi內無損傷。
[0026]特別是，所述損傷因子數值為每個子區域中全部激勵/傳感通道直達波段的損傷因子均值。
[0027]特別是，使用差時累加融合成像方法對預判存在有損傷的區域進行成像。
[0028]特別是，對預判存在有損傷的區域進行成像后使用加權平均法確定損傷的準確位置。
[0029]本發明復合材料板結構的損傷監測方法是對預判存在有損傷的區域進行成像以確定損傷的準確位置，相對于直接成像的方法能夠節省大量的時間，提高了效率和準確性。對于發生在區域的邊界上的損傷做進一步判斷，判斷其是否與相鄰子區域形成融合子區域，使得損傷數量的判斷更加準確。對預判存在有損傷的區域進行成像后使用加權平均法確定損傷的準確位置，消除了多損傷散射信號相互之間的干擾、以及傳播速度各向異性對定位的干擾，準確性更高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是本發明優選實施例一提供的損傷監測方法實施狀態示意圖；
[0031]圖2是本發明優選實施例一中激勵/傳感通道示意圖；
[0032]圖3是本發明優選實施例一提供的損傷位置預判斷流程圖；
[0033]圖4是本發明優選實施例一輸入信號波形圖；
[0034]圖5是本發明優選實施例一對角通道的健康信號的波形圖；
[0035]圖6是圖5所示對角通道的監測信號的波形圖；
[0036]圖7是圖6所示監測信號和圖5所示健康信號歸一化后得到的差信號的波形圖；
[0037]圖8是圖7所示差信號的信號波包示意圖；
[0038]圖9是本發明優選實施例一的差時累加融合成像方法的原理圖；
[0039]圖10是本發明優選實施例一的成像結果示意圖；
[0040]圖11是根據圖10所示成像結果判定的損傷位置與實際損傷位置對比示意圖；
[0041]圖12是本發明優選實施例二的成像結果示意圖；
[0042]圖13是根據圖12所示成像結果判定的損傷位置與實際損傷位置對比示意圖。
[0043]圖中標記為:
[0044]1、第一子區域；2、第二子區域；3、第三子區域；4、第四子區域；11、監測裝置臺面；
12、復合材料板；13、壓電元件。
【具體實施方式】
[0045]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0046]優選實施例一:
[0047]本優選實施例提供一種基于壓電兀件和Lamb波的復合材料板結構的損傷監測方法。該方法使用損傷因子法對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷，然后對預判存在有損傷的區域進行成像以確定損傷的準確位置。
[0048]因為無需對無損傷區域進行成像，節省了大量的監測時間，效率更高、準確性更聞。
[0049]如圖1所示，該方法是將待監測的復合材料板12固定在監測裝置臺面11上，在復合材料板12上固定多個壓電元件13。壓電元件13可以排列成各種形狀，優選的，由四個壓電元件13圍成矩形區域。當復合材料板12面積較大、待監測面積內損傷較多時，可以用多個壓電元件13圍成多個子區域。本優選實施例中，使用九個壓電元件13劃分出四個待監測矩形子區域，分別是第一子區域1、第二子區域2、第三子區域3和第四子區域4。
[0050]如圖2所示，在每個子區域中，四個壓電元件13兩兩組合形成六條激勵/傳感通道，具體的，包括四條邊界B激勵/傳感通道和兩條對角D激勵/傳感通道。監測信號通過這六條激勵/傳感通道來發送-接收，以判斷損傷A的有無及準確位置。
[0051]如圖3所示，對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷包括下述步驟:
[0052]步驟S1、在監測復合材料板結構出廠或者投入使用之初，采集并存儲其健康Lamb波信號H(t)，用于后續計算損傷因子和/或損傷成像。
[0053]步驟S2、將待監測復合材料板結構上劃分為四個待監測的子區域Q ;將i賦值為
1
[0054]步驟S3、實時采集待監測復合材料板結構的監測Lamb波信號D(t)。輸入信號為調制五波峰正弦信號，其波形如圖4所示。圖5至圖8分別為該子區域中對角通道的健康信號的波形圖、監測信號的波形圖、監測信號和健康信號歸一化后得到的差信號的波形圖、以及差信號的信號包絡曲線。
[0055]步驟S4、使用損傷因子法判斷第i個子區域Qi內是否有損傷A，無損傷則轉至步驟S5 ;有損傷A則記錄第i個子區域Qi為含損傷子區域Qs，轉至步驟S5。
[0056]具體的，使用下式計算損傷因子DI (H，D):
!f:H(t)D(t)dt|2
[0057]DI(H5D)-1——---
H2(I)Citji; D2(t)dt^
[0058]其中，^表示直達波到達的起始時間，12表示直達波到達的結束時間，H(t)表示健康Lamb波信號，D (t)表不監測Lamb波信號。
[0059]當損傷遠離激勵/傳感通道或結構中沒有損傷時，監測信號與健康信號基本相同，計算得到的損傷因子值接近O ;如果損傷正好發生在激勵/傳感通道上或其附近時，計算得到的損傷因子值會趨近于I。
[0060]根據這一原理，設定判定損傷的閾值Y，例如Y=0.5。當每個子區域中六條激勵/傳感通道直達波段的損傷因子均值> 閾值Y時，判定該子區域Qi內有損傷；當每個子區域中六條激勵/傳感通道直達波段的損傷因子均值< 閾值Y時，判定該子區域Qi內無損傷。
[0061]步驟S5、判斷i是否大于等于4，是則轉至步驟S6 ;否則i賦值為i+Ι，轉至步驟S4。
[0062]步驟S6、依次判斷每個含損傷子區域Qs中的損傷A是否位于區域的邊界B上，是則判斷其是否與相鄰子區域形成融合子區域；否則判定為獨立子區域。
[0063]具體的判斷方法為:
[0064]步驟S61、比對含損傷子區域Qs中直達波段損傷因子最大值出現的位置，當該最大值Max-Qs出現在對角D的激勵/傳感通道時，判定該含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ;當該最大值Max-Qs出現在邊界B的激勵/傳感通道時，轉至步驟S62。
[0065]步驟S62、判斷出現最大值Max-Qs的邊界B是否為待監測復合材料板結構的邊界，是則判定該含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ;否則轉至步驟S63。
[0066]步驟S63、查看與該含損傷子區域Qs擁有共同邊界B的子區域Qx內是否含有損傷，是則轉至步驟S64 ;否則判定該含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65。
[0067]步驟S64、判定子區域Qx中直達波段損傷因子最大值Max-Qx是否出現在含損傷子區域Qs和子區域Qx的共同邊界處，是則判定含損傷子區域Qs和子區域Qx為融合子區域；否則判定該含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ;包含有損傷的融合子區域和包含有損傷的獨立子區域的數量和為待監測復合材料板結構上的損傷總數。
[0068]步驟S65、判定含損傷子區域Qs為融合子區域或獨立子區域的方法結束。
[0069]步驟S7、對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷結束。
[0070]在預判斷結束后，對預判存在有損傷的區域進行使用差時累加融合成像方法對預判存在有損傷的區域進行成像，而且在成像后使用加權平均法確定損傷的準確位置。
[0071]具體步驟如下:
[0072]第一步:在每個待成像區域內設置多個假設的損傷位置，計算得到每條健康信號通道中在每個假設損傷位置的散射Lamb波信號的期待到達時間tu(x，y)。
[0073]如圖9所示，像點W即為假設的損傷位置，該點的坐標為(x，y)。Lamb波損傷散射信號從坐標為(Xi, Yi)的壓電元件(激勵元件)Pi經過像點W到達壓電元件(傳感元件)Pj的期待到達時間、(1，7)為:
【權利要求】
1.一種復合材料板結構的損傷監測方法，所述方法是基于壓電元件和Lamb波的損傷監測方法，其特征在于，所述方法使用損傷因子法對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷，然后對預判存在有損傷的區域進行成像以確定損傷的準確位置。
2.根據權利要求1所述的復合材料板結構的損傷監測方法，其特征在于，對待監測復合材料板結構進行損傷位置的預判斷包括下述步驟: 步驟S1、采集并存儲待監測復合材料板結構的健康Lamb波信號H(t)； 步驟S2、將待監測復合材料板結構上劃分為N個待監測的子區域Q，N為大于等于I的正整數；i賦值為I ; 步驟S3、實時采集待監測復合材料板結構的監測Lamb波信號D(t)； 步驟S4、使用損傷因子法判斷第i個子區域Qi內是否有損傷，無損傷則轉至步驟S5 ；有損傷則記錄第i個子區域Qi為含損傷子區域Qs，轉至步驟S5 ； 步驟S5、判斷i是否大于等于N，是則轉至步驟S6 ;否則i賦值為i+Ι，轉至步驟S4 ；步驟S6、依次判斷每個含損傷子區域Qs中的損傷是否位于區域的邊界上，是則判斷其是否與相鄰子區域形成融合子區域；否則判定為獨立子區域； 步驟S7、結束。
3.根據權利要求2所述的復合材料板結構的損傷監測方法，其特征在于，步驟S6中判定含損傷子區域Qs為融合子區域或獨立子區域的方法包括下述步驟: 步驟S61、比對含損傷子區域Qs中直達波段損傷因子最大值出現的位置，當所述最大值Max-Qs出現在對角D的激勵/傳感通道時，判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ;當所述最大值Max-Qs出現在邊界B的激勵/傳感通道時，轉至步驟S62 ； 步驟S62、判斷出現所述最大值Max-Qs的邊界B是否為待監測復合材料板結構的邊界，是則判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ;否則轉至步驟S63 ； 步驟S63、查看與所述含損傷子區域Qs擁有共同所述邊界B的子區域Qx內是否含有損傷，是則轉至步驟S64 ;否則判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ； 步驟S64、判定子區域Qx中直達波段損傷因子最大值Max-Qx是否出現在含損傷子區域Qs和子區域Qx的共同邊界處，是則判定含損傷子區域Qs和子區域Qx為融合子區域；否則判定所述含損傷子區域Qs為獨立子區域，轉至步驟S65 ； 步驟S65、結束。
4.根據權利要求3所述的復合材料板結構的損傷監測方法，其特征在于，包含有損傷的融合子區域和包含有損傷的獨立子區域的數量和為待監測復合材料板結構上的損傷總數。
5.根據權利要求2所述的復合材料板結構的損傷監測方法，其特征在于，在步驟S4中，設定判定損傷的閾值Y，當損傷因子數值>閾值Y時，判定第i個子區域Qi內有損傷；當損傷因子數值<閾值Y時，判定第i個子區域Qi內無損傷。
6.根據權利要求5所述的復合材料板結構的損傷監測方法，其特征在于，所述損傷因子數值為每個子區域中全部激勵/傳感通道直達波段的損傷因子均值。
7.根據權利要求1所述的復合材料板結構的損傷監測方法，其特征在于，使用差時累加融合成像方法對預判存在有損傷的區域進行成像。
8.根據權利要求1所述的復合材料板結構的損傷監測方法，其特征在于，對預判存在有損傷的區域進行成像后使用加權平均法確定損傷的準確位置。
【文檔編號】G01N29/06GK104181230SQ201410158828
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】卿新林, 高麗敏, 袁慎芳, 邱雷 申請人:中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心, 中國商用飛機有限責任公司