复合材料板结构的损伤监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合材料板结构的损伤监测方法，属于复合材料板结构的损伤监测【技术领域】，为解决现有方法效率低、精度差、无法对多损伤同时识别等问题而设计。本发明复合材料板结构的损伤监测方法是基于压电元件和Lamb波的损伤监测方法，该方法使用损伤因子法对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断，然后对预判存在有损伤的区域进行成像以确定损伤的准确位置。本发明复合材料板结构的损伤监测方法能够节省大量的监测时间，提高了监测效率，可实现多损伤的定位，增强了对损伤数量和位置判断的准确性。
【专利说明】复合材料板结构的损伤监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料板结构的损伤监测方法。
【背景技术】
[0002]复合材料板因其比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好以及材料性能可设计等优点而在航空、航天、汽车等工程领域中广泛应用。但是，较低的层间剪切强度和垂直平面方向的拉伸强度使得复合材料板中容易发生脱层损伤。脱层会使得压缩强度和刚度显著下降，导致承载能力降低。
[0003]为了对复合材料板中的各种损伤进行识别、定位以预测结构寿命、进行结构维护，传统上使用敲击、超声、X射线、电涡流射线、电位测量以及热应力场等方法具有难以做到服役环境下的实时在线监测、对检测人员的专业知识和经验要求高等问题。而基于埋入或粘贴在表面的压电元件主动Lamb波方法则具有对小损伤敏感、以及可实时、在线监测等优点。
[0004]现有基于压电元件和Lamb波的板结构损伤监测方法是提取波达时间进行损伤定位，容易受到环境噪声、采集误差、复杂结构形式(例如孔或加强筋)、以及材料属性等的影响，无法准确提取损伤散射波包的到达时间。而且，由于边界反射的影响，当损伤发生在靠近边界位置的时候，边界反射信号与损伤反射信号的混叠使得散射波包到达时间无法提取。另外，现有的损伤监测方法和成像方法较少涉及到多个损伤的同时识别以及定位，并且整个监测区域每个点的像素值计算严重降低了损伤监测的效率。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的是提出一种效率更高的复合材料板结构的损伤监测方法。
[0006]本发明的另一个目的是提出一种对损伤数量判断更加准确的复合材料板结构的损伤监测方法。
[0007]本发明的另一个目的是提出一种损伤定位更加精确的复合材料板结构的损伤监测方法。
[0008]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0009]一种复合材料板结构的损伤监测方法，所述方法是基于压电元件和Lamb波的损伤监测方法，所述方法使用损伤因子法对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断，然后对预判存在有损伤的区域进行成像以确定损伤的准确位置。
[0010]特别是，对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断包括下述步骤:
[0011]步骤S1、采集并存储待监测复合材料板结构的健康Lamb波信号H(t)；
[0012]步骤S2、将待监测复合材料板结构上划分为N个待监测的子区域Q，N为大于等于I的正整数；i赋值为I ;
[0013]步骤S3、实时采集待监测复合材料板结构的监测Lamb波信号D(t)；
[0014]步骤S4、使用损伤因子法判断第i个子区域Qi内是否有损伤，无损伤则转至步骤S5 ;有损伤则记录第i个子区域Qi为含损伤子区域Qs，转至步骤S5 ；
[0015]步骤S5、判断i是否大于等于N，是则转至步骤S6 ;否则i赋值为i+Ι，转至步骤S4；
[0016]步骤S6、依次判断每个含损伤子区域Qs中的损伤是否位于区域的边界上，是则判断其是否与相邻子区域形成融合子区域；否则判定为独立子区域；
[0017]步骤S7、结束。
[0018]特别是，步骤S6中判定含损伤子区域Qs为融合子区域或独立子区域的方法包括下述步骤:
[0019]步骤S61、比对含损伤子区域Qs中直达波段损伤因子最大值出现的位置，当所述最大值Max-Qs出现在对角D的激励/传感通道时，判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ;当所述最大值Max-Qs出现在边界B的激励/传感通道时,转至步骤S62 ；
[0020]步骤S62、判断出现所述最大值Max-Qs的边界B是否为待监测复合材料板结构的边界，是则判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ;否则转至步骤S63 ；
[0021]步骤S63、查看与所述含损伤子区域Qs拥有共同所述边界B的子区域Qx内是否含有损伤，是则转至步骤S64 ;否则判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ；
[0022]步骤S64、判定子区域Qx中直达波段损伤因子最大值Max-Qx是否出现在含损伤子区域Qs和子区域Qx的共同边界处，是则判定含损伤子区域Qs和子区域Qx为融合子区域；否则判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ；
[0023]步骤S65、结束。
[0024]特别是，包含有损伤的融合子区域和包含有损伤的独立子区域的数量和为待监测复合材料板结构上的损伤总数。
[0025]特别是，在步骤S4中，设定判定损伤的阈值Y，当损伤因子数值>阈值Y时，判定第i个子区域Qi内有损伤；当损伤因子数值<阈值Y时，判定第i个子区域Qi内无损伤。
[0026]特别是，所述损伤因子数值为每个子区域中全部激励/传感通道直达波段的损伤因子均值。
[0027]特别是，使用差时累加融合成像方法对预判存在有损伤的区域进行成像。
[0028]特别是，对预判存在有损伤的区域进行成像后使用加权平均法确定损伤的准确位置。
[0029]本发明复合材料板结构的损伤监测方法是对预判存在有损伤的区域进行成像以确定损伤的准确位置，相对于直接成像的方法能够节省大量的时间，提高了效率和准确性。对于发生在区域的边界上的损伤做进一步判断，判断其是否与相邻子区域形成融合子区域，使得损伤数量的判断更加准确。对预判存在有损伤的区域进行成像后使用加权平均法确定损伤的准确位置，消除了多损伤散射信号相互之间的干扰、以及传播速度各向异性对定位的干扰，准确性更高。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明优选实施例一提供的损伤监测方法实施状态示意图；
[0031]图2是本发明优选实施例一中激励/传感通道示意图；
[0032]图3是本发明优选实施例一提供的损伤位置预判断流程图；
[0033]图4是本发明优选实施例一输入信号波形图；
[0034]图5是本发明优选实施例一对角通道的健康信号的波形图；
[0035]图6是图5所示对角通道的监测信号的波形图；
[0036]图7是图6所示监测信号和图5所示健康信号归一化后得到的差信号的波形图；
[0037]图8是图7所示差信号的信号波包示意图；
[0038]图9是本发明优选实施例一的差时累加融合成像方法的原理图；
[0039]图10是本发明优选实施例一的成像结果示意图；
[0040]图11是根据图10所示成像结果判定的损伤位置与实际损伤位置对比示意图；
[0041]图12是本发明优选实施例二的成像结果示意图；
[0042]图13是根据图12所示成像结果判定的损伤位置与实际损伤位置对比示意图。
[0043]图中标记为:
[0044]1、第一子区域；2、第二子区域；3、第三子区域；4、第四子区域；11、监测装置台面；
12、复合材料板；13、压电元件。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0046]优选实施例一:
[0047]本优选实施例提供一种基于压电兀件和Lamb波的复合材料板结构的损伤监测方法。该方法使用损伤因子法对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断，然后对预判存在有损伤的区域进行成像以确定损伤的准确位置。
[0048]因为无需对无损伤区域进行成像，节省了大量的监测时间，效率更高、准确性更闻。
[0049]如图1所示，该方法是将待监测的复合材料板12固定在监测装置台面11上，在复合材料板12上固定多个压电元件13。压电元件13可以排列成各种形状，优选的，由四个压电元件13围成矩形区域。当复合材料板12面积较大、待监测面积内损伤较多时，可以用多个压电元件13围成多个子区域。本优选实施例中，使用九个压电元件13划分出四个待监测矩形子区域，分别是第一子区域1、第二子区域2、第三子区域3和第四子区域4。
[0050]如图2所示，在每个子区域中，四个压电元件13两两组合形成六条激励/传感通道，具体的，包括四条边界B激励/传感通道和两条对角D激励/传感通道。监测信号通过这六条激励/传感通道来发送-接收，以判断损伤A的有无及准确位置。
[0051]如图3所示，对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断包括下述步骤:
[0052]步骤S1、在监测复合材料板结构出厂或者投入使用之初，采集并存储其健康Lamb波信号H(t)，用于后续计算损伤因子和/或损伤成像。
[0053]步骤S2、将待监测复合材料板结构上划分为四个待监测的子区域Q ;将i赋值为
1
[0054]步骤S3、实时采集待监测复合材料板结构的监测Lamb波信号D(t)。输入信号为调制五波峰正弦信号，其波形如图4所示。图5至图8分别为该子区域中对角通道的健康信号的波形图、监测信号的波形图、监测信号和健康信号归一化后得到的差信号的波形图、以及差信号的信号包络曲线。
[0055]步骤S4、使用损伤因子法判断第i个子区域Qi内是否有损伤A，无损伤则转至步骤S5 ;有损伤A则记录第i个子区域Qi为含损伤子区域Qs，转至步骤S5。
[0056]具体的，使用下式计算损伤因子DI (H，D):
!f:H(t)D(t)dt|2
[0057]DI(H5D)-1——---
H2(I)Citji; D2(t)dt^
[0058]其中，^表示直达波到达的起始时间，12表示直达波到达的结束时间，H(t)表示健康Lamb波信号，D (t)表不监测Lamb波信号。
[0059]当损伤远离激励/传感通道或结构中没有损伤时，监测信号与健康信号基本相同，计算得到的损伤因子值接近O ;如果损伤正好发生在激励/传感通道上或其附近时，计算得到的损伤因子值会趋近于I。
[0060]根据这一原理，设定判定损伤的阈值Y，例如Y=0.5。当每个子区域中六条激励/传感通道直达波段的损伤因子均值> 阈值Y时，判定该子区域Qi内有损伤；当每个子区域中六条激励/传感通道直达波段的损伤因子均值< 阈值Y时，判定该子区域Qi内无损伤。
[0061]步骤S5、判断i是否大于等于4，是则转至步骤S6 ;否则i赋值为i+Ι，转至步骤S4。
[0062]步骤S6、依次判断每个含损伤子区域Qs中的损伤A是否位于区域的边界B上，是则判断其是否与相邻子区域形成融合子区域；否则判定为独立子区域。
[0063]具体的判断方法为:
[0064]步骤S61、比对含损伤子区域Qs中直达波段损伤因子最大值出现的位置，当该最大值Max-Qs出现在对角D的激励/传感通道时，判定该含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ;当该最大值Max-Qs出现在边界B的激励/传感通道时，转至步骤S62。
[0065]步骤S62、判断出现最大值Max-Qs的边界B是否为待监测复合材料板结构的边界，是则判定该含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ;否则转至步骤S63。
[0066]步骤S63、查看与该含损伤子区域Qs拥有共同边界B的子区域Qx内是否含有损伤，是则转至步骤S64 ;否则判定该含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65。
[0067]步骤S64、判定子区域Qx中直达波段损伤因子最大值Max-Qx是否出现在含损伤子区域Qs和子区域Qx的共同边界处，是则判定含损伤子区域Qs和子区域Qx为融合子区域；否则判定该含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ;包含有损伤的融合子区域和包含有损伤的独立子区域的数量和为待监测复合材料板结构上的损伤总数。
[0068]步骤S65、判定含损伤子区域Qs为融合子区域或独立子区域的方法结束。
[0069]步骤S7、对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断结束。
[0070]在预判断结束后，对预判存在有损伤的区域进行使用差时累加融合成像方法对预判存在有损伤的区域进行成像，而且在成像后使用加权平均法确定损伤的准确位置。
[0071]具体步骤如下:
[0072]第一步:在每个待成像区域内设置多个假设的损伤位置，计算得到每条健康信号通道中在每个假设损伤位置的散射Lamb波信号的期待到达时间tu(x，y)。
[0073]如图9所示，像点W即为假设的损伤位置，该点的坐标为(x，y)。Lamb波损伤散射信号从坐标为(Xi, Yi)的压电元件(激励元件)Pi经过像点W到达压电元件(传感元件)Pj的期待到达时间、(1，7)为:
【权利要求】
1.一种复合材料板结构的损伤监测方法，所述方法是基于压电元件和Lamb波的损伤监测方法，其特征在于，所述方法使用损伤因子法对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断，然后对预判存在有损伤的区域进行成像以确定损伤的准确位置。
2.根据权利要求1所述的复合材料板结构的损伤监测方法，其特征在于，对待监测复合材料板结构进行损伤位置的预判断包括下述步骤: 步骤S1、采集并存储待监测复合材料板结构的健康Lamb波信号H(t)； 步骤S2、将待监测复合材料板结构上划分为N个待监测的子区域Q，N为大于等于I的正整数；i赋值为I ; 步骤S3、实时采集待监测复合材料板结构的监测Lamb波信号D(t)； 步骤S4、使用损伤因子法判断第i个子区域Qi内是否有损伤，无损伤则转至步骤S5 ；有损伤则记录第i个子区域Qi为含损伤子区域Qs，转至步骤S5 ； 步骤S5、判断i是否大于等于N，是则转至步骤S6 ;否则i赋值为i+Ι，转至步骤S4 ；步骤S6、依次判断每个含损伤子区域Qs中的损伤是否位于区域的边界上，是则判断其是否与相邻子区域形成融合子区域；否则判定为独立子区域； 步骤S7、结束。
3.根据权利要求2所述的复合材料板结构的损伤监测方法，其特征在于，步骤S6中判定含损伤子区域Qs为融合子区域或独立子区域的方法包括下述步骤: 步骤S61、比对含损伤子区域Qs中直达波段损伤因子最大值出现的位置，当所述最大值Max-Qs出现在对角D的激励/传感通道时，判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ;当所述最大值Max-Qs出现在边界B的激励/传感通道时，转至步骤S62 ； 步骤S62、判断出现所述最大值Max-Qs的边界B是否为待监测复合材料板结构的边界，是则判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ;否则转至步骤S63 ； 步骤S63、查看与所述含损伤子区域Qs拥有共同所述边界B的子区域Qx内是否含有损伤，是则转至步骤S64 ;否则判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ； 步骤S64、判定子区域Qx中直达波段损伤因子最大值Max-Qx是否出现在含损伤子区域Qs和子区域Qx的共同边界处，是则判定含损伤子区域Qs和子区域Qx为融合子区域；否则判定所述含损伤子区域Qs为独立子区域，转至步骤S65 ； 步骤S65、结束。
4.根据权利要求3所述的复合材料板结构的损伤监测方法，其特征在于，包含有损伤的融合子区域和包含有损伤的独立子区域的数量和为待监测复合材料板结构上的损伤总数。
5.根据权利要求2所述的复合材料板结构的损伤监测方法，其特征在于，在步骤S4中，设定判定损伤的阈值Y，当损伤因子数值>阈值Y时，判定第i个子区域Qi内有损伤；当损伤因子数值<阈值Y时，判定第i个子区域Qi内无损伤。
6.根据权利要求5所述的复合材料板结构的损伤监测方法，其特征在于，所述损伤因子数值为每个子区域中全部激励/传感通道直达波段的损伤因子均值。
7.根据权利要求1所述的复合材料板结构的损伤监测方法，其特征在于，使用差时累加融合成像方法对预判存在有损伤的区域进行成像。
8.根据权利要求1所述的复合材料板结构的损伤监测方法，其特征在于，对预判存在有损伤的区域进行成像后使用加权平均法确定损伤的准确位置。
【文档编号】G01N29/06GK104181230SQ201410158828
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】卿新林, 高丽敏, 袁慎芳, 邱雷 申请人:中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心, 中国商用飞机有限责任公司