复合材料格栅结构低速冲击定位方法
【专利摘要】本发明公开一种复合材料格栅结构低速冲击定位方法，其属于复合材料结构类工程结构健康监测领域。本发明将基于牛顿法的无约束优化算法应用到复合材料格栅结构的低速冲击识别问题中，实现了结构低速冲击的快速识别。利用传感阵列技术，通过对结构施加冲击诱导产生Lamb波信号，并采集复合材料格栅结构的冲击响应信号；以其中某个传感器为基准，采用小波分析手段，提取Lamb波到达其他各个传感器的时间差；利用本发明基于牛顿法的无约束优化算法，求解定位非线性方程组，从而获得冲击源的位置。本发明能快速有效地实现复合材料格栅结构的冲击源识别，识别精度高，具有较好的工程应用价值。
【专利说明】复合材料格栅结构低速冲击定位方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种复合材料格栅结构低速冲击定位方法，属于复合材料结构类工程结构健康监测领域。
【背景技术】:
[0002]格栅结构是由加强肋和蒙皮组成，加强肋呈正多边形网格分布，结构表现各向异性。格栅结构一经问世，就以其拓扑优化性、抗腐蚀能力好、防损伤扩散性能好以及可设计性好等优势受到航空航天领域的高度关注。为了满足航空航天器轻质化的要求，出现了复合材料格栅结构(AGS)。复合材料具有较高的比强度、比模量和抗腐蚀性，因此越来越多的学者将复合材料应用到格栅结构中，并逐渐在航空航天工业中推广应用。但是由于复合材料在外界冲击下，其内部结构易产生不可视的损伤，导致结构刚度下降，影响整体性能，因此很有必要将结构健康监测技术应用到复合材料格栅结构中，以实现结构的自诊断和自修复。
[0003]近年来，国内外很多学者对AGS的健康监测方面进行了深入而广泛的研究，而对AGS的损伤定位和损伤评估是结构健康监测领域的一个研究方向。日本东京大学的 N.Takeda 等人(Takeya H, Ozaki T,Takeda N.Structural health monitoring ofadvanced grid structure using multipoint FBG sensors[C]//Smart Structures andMaterial s2005.Proc of SPIE: Vol.5762.2005:204-211.)(Amano M, Takahashi I, OkabeY, et al.1dentification of damage location in advanced grid structures usingfiber bragg grating sensor[C]//Smart Structures and Materials2005.Proc ofSPIE: Vol.5765，2005:644-655.)首先对飞机方向舵的格栅结构进行了健康检测的研究，通过对比损伤前后的应变差成功地检测到筋的开裂、筋与蒙皮的脱层；但是该方法只在结构损伤较为严重的分析是有效；南京航空航天大学的陈振英等人(《先进复合材料格栅加筋结构(AGS)的损伤定位研究》，硕士学位论文，南京航空航天大学2011年)应用模态振型曲率方法，成功地检测出复合材料格栅结构的肋板脱粘与断裂损伤，但该方法无法检测出格栅结构的蒙皮损伤；蓝友泽等人(《基于频响函数的复合材料格栅结构损伤检测研究》，硕士学位论文，南京航空航天大学2013年)针对传统模态应变能无法检测AGS蒙皮损伤的缺点，提出了一种基于结构频响函数虚部的损伤检测方法，但该方法极易受环境噪声的影响，因此很难在工程中广泛应用。
【发明内容】
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[0004]为了识别AGS在服役过程中遭受的外在冲击载荷的大小和位置，本发明提出了一种复合材料格栅结构低速冲击定位方法，基于牛顿法的无约束优化算法，通过迭代就能够获取声发射源的位置及Lamb波的群速度，本算法结合了线搜索和多项式后退技术，保证任意初始值开始迭代时都能快速收敛。
[0005]本发明采用如下技术方案:一种复合材料格栅结构低速冲击定位方法，其包括如下步骤:
[0006]步骤一:冲击定位
[0007]根据时差定位法，在构件表面有规则地布设4个压电传感器(分别为PZT1，PZT2，PZT3，PZT4)，并对传感信号进行适当的处理，测量出传感器接收到的信号的时间差并换算得到声发射源，即冲击位置，假设冲击源I的坐标为(Xl，yi)，由冲击引发的Lamb波传播的波速为Vg，到达各传感器的时间为ti;那么通过求解下列方程组就可以得到冲击源的位置:
[0008](X1-X1)2+ (X-Y1)2- (tjg)2 = O
[0009](X2-X1)2+ (x-Υι) 2_ [ (ti+ Δ t12) Vg]2 = 0 (I)
[0010](X3-X1)2+ (X-Y1)2_[ U1+ Δ t13) Vg]2 = 0[0011 ] (X4-X1)2+ (x-yj)2_[ (ti+ Δ t14) Vg]2 = 0
[0012]其中，I^t1+Δt12, I^t1+Δ t13, I^t1+Δ t14, Δ (j=2, 3, 4)为相对于 PZTl 的时间差，
[0013]由公式(I)可知，假设Atlj已知，那么就可以通过求解自变量为X= [X1 Y1 ti Vg]T的非线性方程组来获取冲击源的位置及Lamb波的传播速度；
[0014]步骤二:连续小波变换
[0015]通过小波变换分析声发射信号，对任意给定的f(t)，其连续小波变换(CWT)定义为:
[0016]
【权利要求】
1.一种复合材料格栅结构低速冲击定位方法，其特征在于:包括如下步骤 步骤一:冲击定位 根据时差定位法，在构件表面有规则地布设4个压电传感器PZT1，PZT2，PZT3，PZT4，并对传感信号进行适当的处理，测量出传感器接收到的信号的时间差并换算得到声发射源，即冲击位置，假设冲击源I的坐标为(Xl，Y1),由冲击引发的Lamb波传播的波速为Vg，到达各传感器的时间为ti;那么通过求解下列方程组就可以得到冲击源的位置:
(X1-X1)2+ (X-Y1)2- (tjg)2 = O
(X2-X1)2+ (Xi1) 2_ [ U1+ Δ t12) Vg]2 = O (I)
(X3-X1)2+ (Xi1)2-[ U1+ Δ t13) Vg]2 = O
(X4-X1)2+ (Xi1)2-[ U1+ Δ t14) Vg]2 = O 其中，t12, t3=t!+A t13, ?4=?!+Δ t14, Δ t1J(j=2, 3，4)为相对于 PZTl 的时间差，由公式(I)可知，假设Atlj已知，那么就可以通过求解自变量为X= [X1 Y1 & Vg]T的非线性方程组来获取冲击源的位置及Lamb波的传播速度； 步骤二:连续小波变换 通过小波变换分析声发射信号，对任意给定的f(t)，其连续小波变换(CWT)定义为:
【文档编号】G01S5/22GK103913722SQ201410131982
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】徐志伟, 江艳 申请人:南京航空航天大学