一种使用激光量测模态Teager-Kaiser能量的CFRP分层检测方法与流程

本发明公开了一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，具体涉及复合材料结构无损检测领域。

背景技术：

碳纤维复合材料(cfrp)由于其强度高、密度小、耐腐蚀、耐疲劳等优点，被广泛用于风机叶片、机翼等结构中。但是，在冲击作用下，cfrp层合结构易产生层间分层损伤，初始分层会积累、发展，直至危害结构健康。由于很难从cfrp层合结构表面直接识别内部分层，近十几年来发展出各种cfrp层合结构分层检测方法。

其中，近年来发展迅速的基于振动的分层检测方法，通过识别与定位分层会引起的模态振型局部奇异性，实现cfrp层合结构分层检测。但是，对于尺寸较小的分层，其引起的奇异性往往过于微弱，不足以用于分层检测。因此，需要从能量角度提取模态振型局部奇异性中的分层特征，进而对分层进行识别与定位。另一方面，近年来发展的激光扫振量测技术，由于其非接触量测的特点，能避免传统接触式传感器对模态振型的影响；同时，激光量测能极大地提高结构振型空间分辨率，有利于cfrp层合板分层的准确识别与精确定位。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何从cfrp层合结构表面各点激光扫振量测的振动信号中提取分层特征，识别分层损伤进而对其进行定位，需要建立一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，包括如下步骤：

(1)、获取cfrp层合结构的模态振型w[x,y]，其中x和y为振型的空间坐标；

(2)、计算振型w[x,y]的模态teager-kaiser能量e[x,y]；

(3)、对模态teager-kaiser能量e[x,y]进行奇异值分解；

(4)、寻找模态teager-kaiser能量奇异成分，根据其能量奇异峰识别与定位分层。

进一步的，一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，振型w[x,y]的获取方法为：用压电陶瓷(pzt)传感器对cfrp层合结构施加简谐激励，同时使用扫描式激光测振仪(slv)对cfrp层合结构表面各点进行非接触扫描测量，获取各点的稳态振动响应，通过实验模态分析获取cfrp层合结构的模态振型。

进一步的，本发明的一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，步骤(2)中具体计算如下:

e[x,y]＝2w[x,y]²-w[x-1,y]w[x+1,y]-w[x,y-1]w[x,y+1]。

进一步的，本发明的一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，步骤(3)中具体计算如下：

其中，模态teager-kaiser能量e[x,y]在数学上表示为一个m×n的矩阵，其秩为r；e[x,y]奇异值分解为成分ei[x,y]，i＝1,2,...,r；u＝{u1,u2,...,um}为m×m的矩阵,σ为m×n的对角矩阵，对角元素σ1,σ2,...,σr依次减小，v＝{v1,v2,...,vn}为n×n的矩阵。

进一步的，本发明的一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，步骤(4)根据模态teager-kaiser能量奇异成分对分层进行检测方法为：如果cfrp层合结构存在分层，其能量成分中必然会出现能量奇异成分，此能量奇异成分将汇聚在分层区域形成奇异峰，根据此奇异峰识别并定位分层。

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：

本发明公开了一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，集成了非接触激光量测技术和模态teager-kaiser能量新物理量，相比于传统的接触式传感器和模态振型，激光扫振量测的teager-kaiser模态能量奇异成分能更准确地识别与定位cfrp层合结构分层。

附图说明

图1是本发明的方法操作示意图。

图2是本发明中含分层cfrp层合结构模态振型。

图3是使用本发明cfrp层合结构分层检测结果图。

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。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，本发明提出一种使用激光量测模态teager-kaiser能量的cfrp分层检测方法，包括如下步骤：

(1)、获取cfrp层合结构的模态振型w[x,y]，其中x和y为振型的空间坐标；

(2)、计算振型w[x,y]的模态teager-kaiser能量e[x,y]；

(3)、对模态teager-kaiser能量e[x,y]进行奇异值分解；

(4)、寻找模态teager-kaiser能量奇异成分，根据其能量奇异峰识别与定位分层。

实施例所用四层cfrp层合结构长500mm，宽500mm，厚3mm，在第二和三层cfrp之间存在一个尺寸为15mm×15mm的分层，分层中心的坐标为x＝125，y＝375，其无量纲坐标为在cfrp层合结构正面几何中心处，用压电陶瓷传感器施加简谐激励，同时使用扫描式激光测振仪测量cfrp层合结构背面各点的稳态振动响应，通过实验模态分析获取cfrp层合结构的模态振型。

根据步骤(1)获取含损伤cfrp层合结构在5309.37hz下的模态振型w[x,y]，如图2所示。从图2中可以看出，微小的分层无法引起振型在分层位置处的局部奇异性，从而无法直接用于分层检测。

根据步骤(2)-(4)由含损伤cfrp层合结构模态振型w[x,y]计算得到模态teager-kaiser能量e[x,y]，继而对其进行奇异值分解，寻找到模态teager-kaiser能量奇异成分e6[x,y](下标6表示第六阶模态teager-kaiser能量成分)，其能量成分汇聚在局部形成奇异峰，表明该cfrp层合结构出现了分层，而奇异峰所在位置即为分层的位置，参考图3所示。据此，此cfrp层合结构的分层得到了有效识别与定位。

本实施例中：扫描式激光测振仪型号为德国polytec公司的psv-400。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。