一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法

本发明涉及航空结构健康监测，且特别是有关于一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法。

背景技术：

1、在实际的工程应用中，飞行器在服役期间，其结构不可避免地受到复杂环境、交变载荷和突发性事故的影响，容易引起金属材料结构的腐蚀、疲劳裂纹、连接失效以及复合材料结构的分层、脱粘等潜在损伤，严重情况下将导致灾难性后果。这些损伤难以观测判断，因此如何针对飞行器结构解决损伤诊断的稳定性和可靠性问题成为实际应用中的关键性问题。

2、基于导波的损伤监测方法是目前最常见的航空结构健康监测技术之一，基于导波的损伤监测方法是在结构中布置压电传感器，一个传感器作为激励元件向结构中激发导波，一个传感器作为响应元件接收导波，结构中的损伤会引起导波响应信号发生散射、反射、衰减等现象，此时传感器接收到的导波信号相比于健康状态下接收到的信号将出现幅值、相位等传播特性的变化，以此来诊断飞行器结构是否出现损伤。损伤报警是损伤诊断的前提，对于被监测对象的健康状态评估，指导后续的任务决策具有重要的作用，在损伤报警中首先需要解决损伤的表征方法和报警阈值的设置问题，损伤的表征方法应体现时变因素影响整体性和损伤影响局部性的差别，报警阈值的设置要合理，报警阈值过高会导致发生事故时不能及时报警，报警阈值过低会极容易导致虚警。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，基于导波通道融合结构因子提取损伤报警特征，基于损伤报警特征确定损伤报警准则，从而判断是否触发结构损伤报警。

2、为达到上述目的，本发明技术方案是：

3、本发明一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，包括：

4、步骤s1，采集基准信号与监测信号，在一被监测结构上布置m个压电传感器，其中，m为大于2的自然数；一个压电传感器作为激励元件发出导波信号，一个压电传感器作为响应元件接收导波信号，由此形成了一个激励-传感通道；所述m个压电传感器形成了n个激励-传感通道，所述n个激励-传感通道组成激励-传感网络，其中，n为大于1的自然数；在所述激励-传感网络下采集各激励-传感通道的基准信号形成基准信号集h(t)＝{h1(t),h2(t),…,hn(t)}；在所述激励-传感网络下采集各激励-传感通道的监测信号形成监测信号集d(t)＝{d1(t),d2(t),…,dn(t)}。

5、步骤s2，计算通道融合结构因子。所述步骤s2具体包括，

6、步骤s21，对采集的所述基准信号与所述监测信号进行预处理，所述预处理包括小波变换滤波方法。

7、步骤s22，计算不同类型的结构因子，类型x的通道i的结构因子表达式为：

8、

9、其中，x为结构因子类型，i为通道次序，i＝1,2,…,n，hi(t)为通道i的基准信号，di(t)为通道i的监测信号，f为可定义的结构因子计算方法。

10、步骤s23，将不同类型的结构因子融合计算通道融合结构因子，形成通道融合结构因子集来表征所述基准信号与所述监测信号间的差异性，通道i的通道融合结构因子的表达式为

11、

12、其中，i＝1,2,…,n，ωx是加权系数，0≤ωx≤1。

13、步骤s3，基于所述通道融合结构因子提取损伤报警特征，形成损伤报警特征集dr。

14、在一具体实施例中，以激励-传感通道为单位提取损伤报警特征，适用于各种复杂的被监测结构和传感器布局，具体包括：将所述通道融合结构因子直接作为激励-传感通道的损伤报警特征形成损伤报警特征集dr＝{dr1(t),dr2(t),…,drn(t)}，通道i的损伤报警特征dri的表达式为

15、

16、其中，为通道i的通道融合结构因子，i＝1,2,…,n。

17、在另一具体实施例中，以区域为单位提取损伤报警特征，适用于压电传感器有规律布局并可进行子区域划分的情况，具体包括：将所述激励-传感网络划分为m个子区域，每个子区域内的激励-传感通道数量为n个，将子区域内所有通道融合结构因子融合计算得到子区域的损伤报警特征形成损伤报警特征集dr＝{dr1(t),dr2(t),…,drm(t)}，其中，子区域j的损伤报警特征drj的表达式为

18、

19、j＝1,2,…,m，为子区域j中通道i的通道融合结构因子，ji＝1,2,…,n。

20、步骤s4，基于所述损伤报警特征确定损伤报警准则，当所述损伤报警特征集dr中最大的损伤报警特征大于损伤报警阈值时，触发结构损伤报警。在损伤报警准则中以损伤报警特征作为报警数值来报警，所述损伤报警阈值与损伤报警特征的均值相关。

21、在一具体实施例中，所述损伤报警阈值为k1μ，其中，k1为大于1的自然数，μ为所述损伤报警特征集dr中的损伤报警特征的均值且表达式为

22、

23、其中，s为所述损伤报警特征集dr中的损伤报警特征的个数。

24、在另一具体实施例中，所述损伤报警阈值为μ+k2σ，其中，k2为大于等于1的自然数，μ为所述损伤报警特征集dr中的损伤报警特征的均值且表达式为

25、

26、其中，s为所述损伤报警特征集dr中损伤报警特征的个数；σ为所述损伤报警特征集dr中的损伤报警特征的标准差且表达式为

27、

28、在具体实施例中，当所述结构因子为差信号能量结构因子，通道i的差信号能量结构因子的计算公式为

29、

30、其中，i＝1,2,…,120，t为周期。

31、当所述结构因子为互相关结构因子，通道i的互相关结构因子的计算公式为

32、

33、其中，i＝1,2,…,120，t为信号采集时间。

34、有益效果，本发明一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法的实施过程简单、准确、高效；能够有效提高时变环境下飞行器结构损伤监测的自适应性、稳定性和可靠性；能对大面积的飞行器结构进行监测。

35、为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

技术特征：

1.一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，包括，

2.如权利要求1所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述步骤s1中采集基准信号与监测信号具体包括：

3.如权利要求2所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述步骤s2中计算通道融合结构因子包括：

4.如权利要求3所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述步骤s2中计算通道融合结构因子还包括：

5.如权利要求4所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述步骤s2中计算通道融合结构因子还包括：

6.如权利要求5所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述步骤s3中基于所述通道融合结构因子以激励-传感通道为单位提取损伤报警特征，具体包括：将所述通道融合结构因子直接作为激励-传感通道的损伤报警特征形成损伤报警特征集dr＝{dr1(t),dr2(t),…,drn(t)}，通道i的损伤报警特征dri的表达式为

7.如权利要求5所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述步骤s3中基于所述通道融合结构因子以区域为单位提取损伤报警特征，具体包括：将所述激励-传感网络划分为m个子区域，每个子区域内的激励-传感通道数量为n个，将子区域内所有通道融合结构因子融合计算得到子区域的损伤报警特征形成损伤报警特征集dr＝{dr1(t),dr2(t),…,drm(t)}，其中，子区域j的损伤报警特征drj的表达式为

8.如权利要求6或7所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述损伤报警阈值为k1μ，其中，k1为大于1的自然数，μ为所述损伤报警特征集dr中的损伤报警特征的均值且表达式为

9.如权利要求6或7所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述损伤报警阈值为μ+k2σ，其中，k2为大于等于1的自然数，μ为所述损伤报警特征集dr中的损伤报警特征的均值且表达式为

10.如权利要求4所述一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，其特征在于，所述结构因子为差信号能量结构因子时，通道i的差信号能量结构因子的计算公式为

技术总结
本发明公开了一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法，属于航空结构健康监测技术领域，公开了计算导波通道融合结构因子，以激励‑传感通道为单位或以区域为单位来提取损伤报警特征，基于损伤报警特征确定损伤报警准则，从而判断是否触发结构损伤报警。本发明一种用于飞行器大面积结构监测的损伤报警方法的实施过程简单、准确、高效；能够有效提高时变环境下飞行器结构损伤监测的自适应性、稳定性和可靠性。

技术研发人员：邱雷,房立,袁慎芳,任元强,陈健,刘圆
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24