一种二维复合材料的损伤检测系统及其检测方法与流程

本发明属于复合材料无损检测领域，特别是涉及一种二维复合材料的损伤检测系统及其检测方法。

背景技术：

复合材料在风力发电机、飞机叶片、航空发动机中有着广泛的应用，且损伤高发，因此对其进行快速的损伤检测显得十分重要。传统的无损检测技术均在不同程度上难以满足工程结构损伤检测中在线、在位及所损伤检测通用性的要求，如磁粉探伤方法只能适用于铁磁性材料的表面损伤检测，荧光探伤方法仅能适用于结构件表面裂纹检测，且需在特殊光照环境中进行辨识，X射线检测设备昂贵，电磁辐射危害健康，而超声检测对工作表面要求严格，对缺陷揭示缺乏直观性，不适于表面缺陷的检测，因此以上方法均不易实现任意材料表面、内部损伤的在线在位损伤监测。而另一方面，在结构运行过程中大量存在着振动信号，诸如位移、速度、加速度、动态应力应变等，对于这些信号的测试与分析往往不会影响到结构的运转或工位，因此利用振动信号进行结构动力学无损检测具有一定意义。

目前，国内外对一般结构的动力学无损检测技术研究主要集中在建立数学模型、动力学分析等方面，其实现方法主要为使用现时结构振型与前期健康振型做差得到振型变化，继而通过振型变化程度和变化发生位置判定裂纹发生。由于结构健康数据的使用，影响了这些方法的实时性和高效性，因此在对解决实际工程中无参考数据对比的结构动力学无损检测中显得无能为力。

专利文献CN103592365公开了一种转子裂纹快速检测方法包括以下步骤：(1)利用非接触式传感器对转子在不同转速运行状态下的位移进行逐点测试，得到各测点的转子位移数据，连接成曲线，成为运行响应振型；(2)对运行响应振型d进行中心差分，计算转子的曲率振型w，其中，测点i的曲率振型wi表示为：wi＝di+1-2di+di-1h2---(1)，其中角标i表示测点编号，h表示相邻测点间的物理距离，di表示测点i的振型幅值；(3)计算曲率振型的波形维数，形成曲率维数曲线，即曲率维数裂纹指示曲线；(4)分析曲率维数裂纹指示曲线的峰值，根据最高峰值、最低峰值和次高峰值之间的大小关系，判定转子是否存在裂纹，并对裂纹进行定位。该专利通过现时测量模态振型即对转子进行裂纹检测，该专利文献也是本申请人前期的发明成果，但该专利还有待进一步提高，该专利获取的曲率振型噪声大，精确度还有待提升，需要对获得模态振型和模态振型曲率进一步优化，另外，该专利无法对二维的复合材料进行准确的损伤探测。

专利文献CN104567762公开的一种工程机械臂架在线监测方法包括：接收臂架的各节臂上多个离散点的曲率半径以及一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角；根据所述多个离散点的曲率半径以及所述一个离散点所在圆弧的切线相对于水平面的夹角监测臂架的形状。该专利实现了快速和实时地监测臂架的形状，但该专利无法实时进行无损检测，无法快速识别复合材料的损伤位置，不适合现场指导二维的复合材料进行准确的损伤探测。

专利文献CN105424350公开了一种基于机器视觉的薄壁件模态测试系统包括薄壁件、CCD工业相机、普通LED光源、激振器、激振器控制装置、计算机图像处理装置；薄壁件的一端被固定在激振器下方的激振头上，另一端处于自由悬空状态，在薄壁件的侧表面上设置反光贴；激振器悬挂在固定支架上，CCD工业相机用三脚架水平固定在装置的正前方，CCD工业相机的输出端与计算机图像处理装置的输入端相连，计算机图像处理装置的输出端与激振器控制装置相连，普通LED光源设置在摄像机的左前方；激振器控制装置的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与激振器的激振头相连，激振头末端安装加速度传感器，加速度传感器的输出端与激振器控制装置相连。该专利跟踪薄壁梁件上的反光贴特征点的位移，可得到薄壁件上多点的振动信息，并可对多点的振动信息进行同步分析，进而可得到固有频率以及固有频率下的振型，但该专利需要跟踪反光贴，限制了应用范围，且仅通过振型无法进行无损检测，无法快速识别复合材料的损伤位置，另外，该专利无法对二维的复合材料进行准确的损伤探测。

因此，本领域急需要解决的技术问题在于提供一种具有对二维复合材料统计可变性小、噪声免疫力强、测量精度高，可以快速识别复合材料二维结构的损伤位置，具有运算实施性好，简单易行，适合现场指导复合材料二维结构损伤检测的复合材料探测系统。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明针对二维的复合材料的无损检测提供了一种检测系统，其通过得到多阶模态振型，然后进行曲率计算和傅里叶变换，优化了检测效果，过滤了检测噪声，提高了测量精度，且简单易行。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

根据本发明的一方面，一种二维复合材料的损伤检测系统包括测量细长复合材料模态振型的测量装置、傅立叶模态曲率计算模块和判断模块，所述模态振型测量装置包括用于敲击所述细长复合材料上间隔h均匀分布的测量点的力锤、测量所述测量点的加速度的加速度传感器以及模态振型测量模块，连接所述加速度传感器的所述模态振型测量模块基于所述加速度生成模态振型，所述傅立叶模态曲率计算模块通过公式计算得到傅立叶模态曲率，其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型，所述判断模块连接所述傅立叶模态曲率计算模块，如果所述傅立叶模态曲率大于预定阈值，所述判断模块判定所述傅立叶模态曲率大于预定阈值的测量点为损伤位置。

本发明中的二维复合材料是平面结构，也可以是板壳类的复合材料。

优选地，所述预定阈值为3σ准则所给定的阈值。

优选地，所述二维复合材料的损伤检测系统还包括绘图模块，所述绘图模块连接所述模态振型测量模块且绘制模态振型曲线，所述绘图模块连接所述傅立叶模态曲率计算模块且绘制傅立叶模态曲率曲线。

所述判断模块设有3σ阈值过滤模块，所述傅立叶模态曲率曲线经由3σ阈值过滤模块过滤处理后发送绘图模块。

优选地，所述模态振型曲线为1-4阶模态振型曲线。

优选地，所述测量点为间隔h均匀分布的8乘以n个测量点，其中n为模态振型的阶数。

优选地，所述傅立叶模态曲率计算模块包括计算单元和傅立叶变换单元。

优选地，所述模态振型测量模块为模态分析设备，所述判断模块为数字信号处理器。

根据本发明的另一方面，一种使用所述的二维复合材料的损伤检测系统的检测方法包括以下步骤。

第一步骤中，所述力锤敲击所述细长复合材料上间隔h均匀分布的测量点，加速度传感器测量所述测量点的加速度，所述模态振型测量模块基于所述加速度生成模态振型。

第二步骤中，所述傅立叶模态曲率计算模块通过公式(F1)计算得到傅立叶模态曲率，其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型。

第三步骤中，所述判断模块连接所述傅立叶模态曲率计算模块，如果所述傅立叶模态曲率大于预定阈值，所述判断模块判定所述傅立叶模态曲率大于预定阈值的测量点为损伤位置。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的结构示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤为细长型损伤的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的连接傅立叶模态曲率计算模块的绘图模块在图3的材料上绘出的傅立叶模态曲率曲线示意图；

图5是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的连接傅立叶模态曲率计算模块的绘图模块基于图4绘出的损伤范围示意图；

图6是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤为块状损伤的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的连接傅立叶模态曲率计算模块的绘图模块在图5的材料上绘出的傅立叶模态曲率曲线示意图；

图8是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的连接傅立叶模态曲率计算模块的绘图模块基于图7绘出的损伤范围示意图；

图9是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤为多种损伤的示意图；

图10是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的连接傅立叶模态曲率计算模块的绘图模块在图7的材料上绘出的傅立叶模态曲率曲线示意图；

图11是根据本发明一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的连接傅立叶模态曲率计算模块的绘图模块基于图10绘出的损伤范围示意图；

图12是根据本发明一个实施例的使用二维复合材料的损伤检测系统的损伤检测方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种二维复合材料的损伤检测系统，二维复合材料的损伤检测系统包括测量二维复合材料模态振型的测量装置(1)、傅立叶模态曲率计算模块(2)和判断模块(3)，所述模态振型测量装置(1)包括用于敲击所述二维复合材料上间隔h均匀分布的测量点的力锤(4)、测量所述测量点的加速度的加速度传感器(5)以及模态振型测量模块(6)，连接所述加速度传感器(5)的所述模态振型测量模块(6)基于所述加速度生成模态振型(w(x，y))，其中x，y表示测量点的平面坐标值，所述傅立叶模态曲率计算模块(2)通过公式(F1)计算得到傅立叶模态曲率(w”(x，y))，

其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型，

所述判断模块(3)连接所述傅立叶模态曲率计算模块(2)，如果所述傅立叶模态曲率(w”(x，y))大于预定阈值，所述判断模块(3)判定所述傅立叶模态曲率(w”(x，y))大于预定阈值的测量点为损伤位置。

本发明中的二维复合材料可以是板壳类的复合材料。

在一个实施例中，所述预定阈值为3σ准则所给定的阈值。

在一个实施例中，所述测量点为间隔h均匀分布的8乘以8乘以n个测量点，其中n为模态振型的阶数。

在一个实施例中，所述傅立叶模态曲率计算模块2包括计算单元和傅立叶变换单元。

在一个实施例中，所述模态振型测量模块6为模态分析设备，所述判断模块3为数字信号处理器。

在本发明实施例中优选地，判断模块3可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC，现场可编程门阵列FPGA、模拟电路、数字电路、及其组合、或其他已知或以后开发的处理器。进一步地，判断模块3包括存储器，存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，存储器可以包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器、电子可擦除可编程只读存储器EEPROM或其它类型的存储器。

在一实施例中，复合材料为细长的24层GFRP复合材料(glass-fiber reinforced plastic)，尺寸为250mm×250mm的正方形。利用由1只加速度传感器5，1只力锤4及如国产亿恒数采的模态振型测量模块6所组成的模态振型的测量装置1测量模态振型，在待测复合材料结构上根据8×8×n的测点数目选取原则，如考虑一阶模态振型，故选取测点数为64个，均匀设置若干测点，可以以最左边的测量点为坐标原点，各测量点在水平x轴方向上的数值为x值，在垂直Y轴方向上的数值为y值，将加速度传感器5位置固定在其中任意一测点位置，并在整个测量过程中保持不变。使用对逐个测点进行敲击，得到结构的一阶模态振型w(x，y)。所述傅立叶模态曲率计算模块2通过公式F1计算得到傅立叶模态曲率其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型。

判断模块3判断若存在超过3σ方法所给定阈值的点，则认定该处存在异常数据，认定为损伤；否则，目标结构判定为健康。

图2为本发明的一个实施例的二维复合材料的损伤检测系统的结构示意图，本发明实施例将结合图2进行具体说明。

如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种二维复合材料的损伤检测系统，二维复合材料的损伤检测系统包括测量细长复合材料模态振型的测量装置1、傅立叶模态曲率计算模块2、判断模块3和绘图模块7，所述模态振型测量装置1包括用于敲击所述细长复合材料上间隔h均匀分布的测量点的力锤4、测量所述测量点的加速度的加速度传感器5以及模态振型测量模块6，连接所述加速度传感器5的所述模态振型测量模块6基于所述加速度生成模态振型w(x，y)，所述傅立叶模态曲率计算模块2通过公式F1计算得到傅立叶模态曲率其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型。所述绘图模块7连接所述模态振型测量模块6且绘制模态振型曲线，所述绘图模块7连接所述傅立叶模态曲率计算模块2且绘制傅立叶模态曲率曲线，所述判断模块3连接所述傅立叶模态曲率计算模块2，如果所述傅立叶模态曲率大于预定阈值，所述判断模块3判定所述傅立叶模态曲率大于预定阈值的测量点为损伤位置。

在一个实施例中，所述模态振型曲线为1-4阶模态振型曲线。

所述判断模块3设有3σ阈值过滤模块，所述傅立叶模态曲率曲线7经由3σ阈值过滤模块过滤处理后发送绘图模块7。

在一实施例中，如图3所示的，复合材料为细长的24层GFRP复合材料，尺寸为250mm×250mm，该结构在100mm处存在一处细长的竖条损伤。利用由1只加速度传感器5，1只力锤4及如国产亿恒数采的模态振型测量模块6所组成的模态振型的测量装置1测量模态振型，在待测复合材料结构上根据8×8×n的测点数目选取原则，本实施例采用一阶模态振型，故选取测点数为64个，均匀设置若干测点，可以以最左边的起点为坐标原点，各测量点在水平x轴方向上的数值为x值，在垂直Y轴方向上的数值为y值，将加速度传感器5位置固定在其中任意一测点位置，并在整个测量过程中保持不变。使用对逐个测点进行敲击，得到结构的一阶模态振型。

所述傅立叶模态曲率计算模块2通过公式F1计算得到傅立叶模态曲率其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型，将得到的1阶振型分别带入傅立叶模态曲率计算式F1得到了傅立叶模态曲率曲线。如图4所示，绘图模块7绘出了基于一阶模态振型计算得出的一阶傅立叶模态曲率曲线。判断模块3判断若存在超过3σ方法所给定阈值的点，则认定该处存在异常数据，认定为损伤；否则，目标结构判定为健康。如图5所示，所述判断模块3设有3σ阈值过滤模块，所述傅立叶模态曲率曲线7经由3σ阈值过滤模块过滤处理后发送绘图模块7，在图5中显示大致100mm处超出了3σ方法所给定阈值，即判定100mm处存在损伤。可见，本发明所识别的损伤位置与实际损伤位置大致吻合。

在另一实施例，检测块状的损伤情况，例如，如图6所示的，复合材料为细长的24层GFRP复合材料，尺寸为250mm×250mm，该结构在50mm处存在一处50mm边长的正方形损伤。利用由1只加速度传感器5，1只力锤4及如国产亿恒数采的模态振型测量模块6所组成的模态振型的测量装置1测量模态振型，在待测复合材料结构上根据8×8×n的测点数目选取原则，本实施例采用一阶模态振型，故选取测点数为64个，均匀设置若干测点，可以以最左边的起点为坐标原点，各测量点在水平x轴方向上的数值为x值，在垂直Y轴方向上的数值为y值，将加速度传感器5位置固定在其中任意一测点位置，并在整个测量过程中保持不变。使用对逐个测点进行敲击，得到结构的一阶模态振型。

所述傅立叶模态曲率计算模块2通过公式F1计算得到傅立叶模态曲率其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型，将得到的1阶振型分别带入傅立叶模态曲率计算式F1得到了傅立叶模态曲率曲线。如图7所示，绘图模块7绘出了基于一阶模态振型计算得出的一阶傅立叶模态曲率曲线。判断模块3判断若存在超过3σ方法所给定阈值的点，则认定该处存在异常数据，认定为损伤；否则，目标结构判定为健康。如图8所示，所述判断模块3设有3σ阈值过滤模块，所述傅立叶模态曲率曲线7经由3σ阈值过滤模块过滤处理后发送绘图模块7，在图8中显示x方向和y方向的大致50mm处超出了3σ方法所给定阈值，即判定50mm处存在损伤。可见，本发明所识别的损伤位置与实际损伤位置大致吻合。

在又一实施例，检测存在多种损伤情况，例如，如图9所示的，复合材料为细长的24层GFRP复合材料，尺寸为250mm×250mm，该结构存在多处损伤。利用由1只加速度传感器5，1只力锤4及如国产亿恒数采的模态振型测量模块6所组成的模态振型的测量装置1测量模态振型，在待测复合材料结构上根据8×8×n的测点数目选取原则，本实施例采用一阶模态振型，故选取测点数为64个，均匀设置若干测点，可以以最左边的起点为坐标原点，各测量点在水平x轴方向上的数值为x值，在垂直Y轴方向上的数值为y值，将加速度传感器5位置固定在其中任意一测点位置，并在整个测量过程中保持不变。使用对逐个测点进行敲击，得到结构的一阶模态振型。

所述傅立叶模态曲率计算模块2通过公式F1计算得到傅立叶模态曲率其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型，将得到的1阶振型分别带入傅立叶模态曲率计算式F1得到了傅立叶模态曲率曲线。如图10所示，绘图模块7绘出了基于一阶模态振型计算得出的一阶傅立叶模态曲率曲线。判断模块3判断若存在超过3σ方法所给定阈值的点，则认定该处存在异常数据，认定为损伤；否则，目标结构判定为健康。如图11所示，所述判断模块3设有3σ阈值过滤模块，所述傅立叶模态曲率曲线7经由3σ阈值过滤模块过滤处理后发送绘图模块7，在图11中显示3处处超出了3σ方法所给定阈值，即判定3处存在损伤。可见，本发明所识别的损伤位置与实际损伤位置大致吻合。

参见图12，根据本发明一个实施例的使用所述的二维复合材料的损伤检测系统的损伤检测方法包括以下步骤。

第一步骤S1中，所述力锤4敲击所述细长复合材料上间隔h均匀分布的测量点，加速度传感器5测量所述测量点的加速度，所述模态振型测量模块6基于所述加速度生成模态振型w(x，y)。

第二步骤S2中，所述傅立叶模态曲率计算模块2通过公式F1计算得到傅立叶模态曲率，其中，

其中，h表示所述测量点间距，kx、ky表示为测量点x、y坐标值的倒数，e表示自然常数，w(x，y)表示所测量的模态振型；

第三步骤S3中，所述判断模块3连接所述傅立叶模态曲率计算模块2，如果所述傅立叶模态曲率w”(x，y)大于预定阈值，所述判断模块3判定所述傅立叶模态曲率w”(x，y)大于预定阈值的测量点为损伤位置。

在一个实施例中，所述预定阈值为3σ准则所给定的阈值。

在一个实施例中，在第二步骤中，绘图模块7连接所述模态振型测量模块6且绘制模态振型曲线，所述绘图模块7连接所述傅立叶模态曲率计算模块2且绘制傅立叶模态曲率曲线。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。