一种复合材料层合梁分层损伤位置检测方法与流程

本发明公开了一种复合材料层合梁分层损伤位置检测方法，具体涉及复合材料层合梁结构损伤检测技术领域。

背景技术

复合材料层合梁结构在长期服役中易受冲击作用而产生细微的分层损伤。这些细微的分层损伤会积累、演变成危害整体结构安全可靠运行的宏观损伤。基于此，近年来各种无损检测方法得到快速发展，诸如超声波、电磁场、涡流等的局部无损检测方法已被广泛应用于复合材料层合梁分层损伤检测。但这些方法一般需要预知分层损伤的大致位置，且分层损伤位置须易于接近，这在实际应用中较难满足。而基于复合材料层合梁的动力参数：固有频率和振型，形成分层损伤指标，用于检测复合材料层合梁分层损伤的研究尚未见报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提出了一种基于固有频率和振型结合的复合材料层合梁分层损伤位置检测方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种复合材料层合梁分层损伤位置检测方法，具体步骤包括：

步骤一、量测复合材料层合梁前m(m≥5)阶分层损伤前后的固有频率，计算固有频率相对变化率，并将其标准化；

步骤二、量测复合材料层合梁前m(m≥5)阶分层损伤后的振型，计算振型一阶导数的平方，并将其标准化；

步骤三、根据标准化的固有频率相对变化率和振型一阶导数的平方，计算前m阶单阶分层损伤指标，将前m阶单阶分层损伤指标连乘得到整体分层损伤指标；

步骤四、根据整体分层损伤指标最大值出现的位置确定分层损伤位置。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤一的具体计算方式如下：

(1)量测复合材料层合梁前m(m≥5)阶分层损伤前后的固有频率ωj、

(2)计算固有频率相对变化率：

其中，j∈{1,2,...,m}为频率阶数。

(3)将固有频率相对变化率作[01]区间标准化：

其中，δωj代表第j阶标准化的固有频率相对变化率。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤二的具体计算方式如下：

(1)量测复合材料层合梁前m(m≥5)阶分层损伤后的振型φi,j；

(2)计算振型一阶导数的平方：

其中，i∈{1,2,...,n}为振型测点，h为测点间距；

(3)将振型一阶导数的平方作[01]区间标准化：

其中，σi,j代表振型一阶导数的平方的标准化结果。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤三的具体计算方式如下：

(1)根据标准化的固有频率相对变化率和振型一阶导数的平方，计算前m阶单阶分层损伤指标：

pi,j＝1-|σn+1-i,j-δωj|；

(2)将前m阶单阶分层损伤指标连乘得到整体分层损伤指标：

作为本发明的进一步优选方案，步骤一、二中复合材料层合梁的固有频率和振型的获取方式具体为：

用激振器在复合材料层合梁靠近固定端的位置施加正弦激励，同时用激光扫描测振仪测量复合材料层合梁正面的振动，获取复合材料层合梁的固有频率和振型。

作为本发明的进一步优选方案，所述激光扫描测振仪为psv-400激光扫描测振仪。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所提出的检测方法可通过分析复合材料层合梁分层损伤前后的固有频率和分层损伤后的振型，进而判断分层损伤位置。相比于常规的局部无损检测方法，本方法无需预知分层损伤位置，操作简单。同时，本发明可与激光扫描测振仪等先进传感器配套使用，高效应用于复合材料层合梁结构分层损伤检测。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明中梁的前10阶分层损伤前后的固有频率示意图。

图3是本发明中梁的第1阶分层损伤后的振型示意图。

图4是本发明中梁的标准化固有频率相对变化率示意图。

图5是本发明中梁的第1阶标准化的振型一阶导数的平方示意图。

图6是本发明中梁的整体分层损伤指标示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

如图1所示，本发明提出的一种复合材料层合梁分层损伤位置检测方法，包括以下步骤：

1.量测复合材料层合梁前m(m≥5)阶分层损伤前后的固有频率ωj、计算固有频率相对变化率，并将其作[01]区间标准化：

其中，j∈{1,2,...,m}为频率阶数，δωj代表第j阶固有频率相对变化率，δωj代表第j阶标准化的固有频率相对变化率。

2.量测复合材料层合梁前m(m≥5)阶分层损伤后的振型φi,j，计算振型一阶导数的平方,并将其作[01]区间标准化：

其中，i∈{1,2,...,n}为振型测点，h为测点间距。

3.根据标准化的固有频率相对变化率和振型一阶导数的平方，计算前m阶单阶分层损伤指标，将前m阶单阶分层损伤指标连乘得到整体分层损伤指标：

pi,j＝1-|σn+1-i,j-δωj|,(5)

4.根据整体分层损伤指标最大值出现的位置确定分层损伤位置。

本发明的工作原理具体如下：复合材料层合梁分层损伤会使固有频率发生变化，而固有频率的变化与分层损伤的位置有关，从而可通过固有频率的变化识别分层损伤。然而，固有频率作为一个全局动力学参量难以提供分层损伤的位置信息，而振型能够有效提供复合材料层合梁振动的位置信息。基于此，本发明将固有频率与振型结合构成分层损伤指标，根据分层损伤指标中是否出现奇异峰值来判断复合材料层合梁分层损伤是否存在，并由峰值位置确定分层损伤位置。

以下举一个具体实例来说明本发明的检测方法：

实施例所用gfrp复合材料层合梁长490mm，宽10mm，厚1.5mm，在距离梁的固定端184mm处，有一个预制的分层损伤，其位置用无量纲坐标表示为ζ＝0.376。

首先，用模态激振器在梁背面距离固定端5mm处施加正弦激励，同时用激光扫描测振仪测量梁正面的振动，提取梁前10阶损伤前后的固有频率及损伤后的振型。梁前10阶损伤前的固有频率如图2中的(a)所示，损伤后的固有频率如图2中的(b)所示，其中横轴m表示阶数，纵轴f表示固有频率。梁的第1阶损伤后的振型如图3所示，其中横轴ζ表示无量纲坐标，纵轴φ表示振型。

其次，根据公式(1)、(2)求得前10阶标准化的固有频率相对变化率，如图4所示，其中横轴m表示阶数，纵轴δω表示标准化的固有频率相对变化率。

然后，根据公式(3)、(4)求得前10阶标准化的振型一阶导数的平方，第1阶标准化的振型一阶导数的平方如图5所示，其中横轴ζ表示无量纲坐标，纵轴σ表示标准化的振型一阶导数的平方。

接着，根据公式(5)、(6)求得到整体分层损伤指标，如图6所示。从图6中可以发现有两个位置对称的奇异峰，其中最大峰值对应位置即为检测到的分层损伤位置，与实际分层损伤位置相符。

本实施例中：激光传感器为德国polytec公司生产的psv-400激光扫描测振仪。

综上所述，本发明提出了一种基于固有频率和振型结合的复合材料层合梁分层损伤位置检测方法，相比于常规的局部无损检测方法，本方法无需预知分层损伤位置，操作简单，从而快速、准确地判断分层损伤出现并检测出分层损伤位置。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。