一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法

1.本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法。


背景技术：

2.在航空航天工程中，由于诸如空天往返飞行器、新一代战斗机等先进飞行器由于其长航时、轻量化、大过载、宽马赫、多任务剖面、强鲁棒及高可靠性等工作环境提出的设计要求，高比强度、高比刚度的复合材料被广泛应用。然而先进飞行器在长期服役过程中不可避免地受到疲劳、大过载、撞击等不安全因素影响，使得复合材料机体结构受到损伤破坏。
3.为了降低损伤破坏引起的进一步损失，保障先进飞行器的结构安全性能，需要对结构健康状态进行检测或实时监测。传统无损检测方法存在设备以及使用环境的限制，检测周期长且要求设备停机；基于波动理论的主动监测方法只能做到损伤位置的估计，对于损伤程度无法进一步判断；基于振动理论的监测方法面临损伤变量多，问题不适定性强的挑战。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术损伤程度无法判断、不适定性强的不足，提供一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法，综合采用基于波动理论的主动监测方法与基于静力响应和振动理论的被动式监测方法，综合使用压电片传感器与电阻式应变传感器等多种传感器，对复合材料损伤进行定量化辨识，得到的辨识结果可以更准确的反应结构剩余力学性能，为后续结构的控制策略以及维修策略提供指导。
5.本发明采用的技术方案为：一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法，该方法的实施步骤如下：
6.第一步：建立复合材料识别对象未发生损伤状态下的损伤识别基础数值模型，对识别对象通过几何形状测量建立所述损伤识别基础数值模型的几何形状，对识别对象通过重量测量确定所述损伤识别基础数值模型的材料密度，对识别对象通过静载试验的应力响应测量修正所述损伤识别基础数值模型的材料刚度，对识别对象通过动响应试验的固有频率测量修正所述数值模型结构加载的边界刚度；
7.第二步：在识别对象上布置压电传感器与电阻式应变传感器，所述压电传感器为主动传感器布置满足在监测区域均匀分布，对可能发生损伤的区域进行包围；所述电阻式应变传感器为被动传感器，在每个可能发生损伤的区域，布置电阻式应变传感器，对于由应力集中或大载荷引起的发生损伤可能性大的区域额外布置电阻式应变传感器；
8.第三步：采用第二步布置的压电传感器与电阻式应变传感器测量未发生损伤状态下的基础信号，所述基础信号包括无载荷状态下的结构lamb波(即兰姆波)激励产生的压电传感器信号、额定载荷状态下结构lamb波激励产生的压电传感信号、额定载荷状态下结构应变传感器信号和力锤敲击作用下激励的自由振动应变传感器动态响应信号；
9.第四步：采用第二步布置的压电传感器测量损伤发生后的主动激励信号，所述主动激励包括损伤发生后的无载荷状态下的结构lamb波激励产生的压电传感器信号及损伤产生后的额定载荷状态下的结构lamb波激励产生的压电传感器信号；
10.第五步：采用第二步布置的电阻式应变传感器测量损伤发生后的结构静响应信号与动响应信号，具体指损伤发生后结构在额定载荷状态下的静响应应变传感器信号以及力锤敲击激励下的自由振动应变传感器信号；
11.第六步：基于第三步测量得到的基础信号以及第四步测量得到的主动激励信号，采用时间反演聚焦成像方法，确定识别对象的损伤位置；
12.第七步：以第一步中建立的损伤识别基础数值模型为基础，根据第六步确定的损伤位置，通过损伤量化模型，将损伤发生处的有限元单元刚度参数进行参数化修改，得到损伤识别修正模型；所述损伤识别修正模型有如下特点：(1)在损伤发生的区域，该损伤模型的有限元刚度参数能够修改；(2)在损伤变量设置为0即未发生损伤时，结构静力应变响应与自由振动激励响应与基础信号测量结果一致；
13.第八步：使用差分格式梯度迭代方法或无梯度模式搜索法得到分析结果与测量损伤结果最接近的情况，此时得到的损伤变量即为损伤量化结果。
14.所述第三步中，未发生损伤状态下的基础信号与第四步、第五步中的损伤后的测量响应信号中，包括压电传感器主动激励产生，并由其他压电传感器接收的lamb波信号(压电传感器不只一个，当一个激励时，没有激励的就是其他压电传感器)、由静力试验机加载产生的静力载荷，由电阻式应变片测量的静力响应信号以及由力锤敲击产生激励，由力传感器与电阻式应变传感器测量的动响应信号；其中lamb波信号为主动激励信号，静力响应信号与动响应信号为被动响应信号，主被动结合特征之一即指结合使用这两种信号。
15.所述第六步中，采用时间反演聚焦成像方法的具体如下：
16.(1)将损伤后测得信号响应与损伤前测得信号响应做差，得到差信号；
17.(2)将差信号时间相位反转；
18.(3)选择监测区域中一点，根据选择监测点位置与接收信号传感器距离计算信号相位平移距离并对信号进行相位平移；
19.(4)将多组相位平移后信号进行叠加，并对叠加后信号进行平方积分；
20.(5)选择监测区域中另一点并重复(3)
‑
(4)，直到区域中所有点计算完成；
21.(6)将检测区域内的信号计算值进行归一化，并将结果作为该点像素值进行成像，像素值最大的区域即为辨识损伤区域。
22.所述第七步中，以损伤识别基础模型为基础，将损伤发生处的损伤识别基础模型有限元单元刚度性能根据损伤量化模型重新计算并修改，得到损伤单元的刚度矩阵与损伤变量之间的关系，修正后的有限元模型即为损伤识别修正模型，损伤量化模型采用损伤力学的理论，使用刚度折减量作为损伤变量，对有限元模型中损伤单元的剩余表征刚度进行量化识别，实现对复合材料损伤的定量描述与辨识表征刚度描述，如下式：
23.e
d
＝e
m
(1
‑
d)
24.式中e
d
为损伤刚度，即表征刚度，e
m
为各向同性材料未发生损伤时的刚度，d为损伤变量，对于对称铺层复合材料层合板本构关系，完整表达式如下：
[0025][0026]
b＝0
[0027][0028][0029]
其中a为层合板拉伸刚度矩阵，b为层合板拉弯耦合刚度矩阵，d为层合板弯曲刚度矩阵，h为层合板剪切刚度矩阵，d1～d
14
为待识别损伤变量，a
ij
(i，j＝1，2，6)，d
ij
(i，j＝1，2，6)，h
ij
(i，j＝4，5)分别表示层合板的面内刚度系数，弯曲刚度系数，剪切刚度系数。
[0030]
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种综合利用主动激励式压电传感器信号与被动式电阻应变传感器信号，结合基于波动方法的lamb波成像定位方法与基于模型重构的刚度折减式的损伤定量化方法，实现了对于复合材料结构的损伤定量化辨识方法。本方法将损伤定位与定量分开进行，一方面相比于传统的基于波动方法的损伤辨识方法，采用后续损伤定量化方法，突破了其无法进行损伤定量化辨识的屏障，实现损伤定量化辨识；一方面相比于传统的基于振动模型化方法，采用预先定位损伤减少待辨识参数数量，突破了其在求解过程中面临高不适定性导致的求解精度低、求解效率低的屏障。
附图说明
[0031]
图1是本发明一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法的流程示意图；
[0032]
图2是本发明所使用的时间反演成像方法示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
[0034]
如图1所示，本发明是一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法，主要包括以下步骤：
[0035]
(1)确定损伤识别模型。建立识别对象未发生损伤状态时的损伤识别基础数值模型，数值模型以有限元模型为主要对象。对识别对象通过几何形状测量修正有限元模型的几何形状，对识别对象通过重量测量修正材料密度，对识别对象通过静载试验的应力响应测量修正材料刚度，对识别对象通过动响应试验的固有频率测量修正结构的边界刚度。
[0036]
其中，几何尺寸通过测量直接得到，材料密度通过建立的几何模型尺寸与测量重量得到，材料刚度与边界刚度通过有限元运算优化方法进行反问题识别。
[0037]
find e
m
，e
b
[0038]
s.t.min∑λ(ε
c
‑
ε
m
)2[0039]
其中e
m
指材料刚度，e
b
指边界刚度，ε
c
指有限元分析应变结果，ε
m
指测量应变结果，λ为权重系数。
[0040]
根据对结构测量的几何尺寸，在有限元软件前处理器中建立相应的几何尺寸模
型，针对复合材料层合板结构，建立二维有限元模型，选择shell181单元类型，对其赋予各向异性材料属性来仿真复合材料材料属性，材料属性刚度由材料加工方给出，材料密度属性由电子秤称重给出，结构固支边界非完全固支，通过添加弹簧单元模拟非完全固支边界条件，通过动态识别系统识别结构模态频率，利用优化分析方法计算得出结构边界固支刚度以及材料刚度属性。
[0041]
(2)确定传感器布置。主动式压电传感器布置在待识别区域基本满足均匀分布，传感器布置间距通过测量结构弹性波波速确定，可能发生损伤的区域使用压电传感器进行包围，在每个区域，布置必要的应变传感器，对于由结构特征导致的受力状态严酷，损伤可能性大的区域额外布置应变传感器。
[0042]
通过对结构模型进行有限元分析，选择前几阶模态中应变水平或应力水平较高的点作为电阻式应变传感器布置点，计算结构工作状态下的受力状态，在工作状态下的高应变水平或高应力水平区布置电阻式应变传感器；压电式传感器均匀布置在结构表面，通过仿真分析计算或者通过实验测量得到lamb在结构表面的传播速度，确定压电式传感器布置的距离，使得lamb波传播时间大于完整激励信号的激励时间，确保信号能够完整接收。
[0043]
(3)测量未发生损伤状态下的基础信号。基础信号包括无载荷状态下的结构lamb波激励产生的压电传感器信号；额定载荷状态下结构lamb波激励产生的压电传感信号；额定载荷状态下结构应变传感器信号；力锤敲击作用下激励的自由振动应变传感器信号。
[0044]
(4)测量损伤发生后的主动激励信号。损伤发生后的主动激励信号包括损伤发生后的无载荷状态下的结构lamb波激励产生的压电传感器信号以及损伤产生后的额定载荷状态下的结构lamb波激励产生的压电传感器信号。
[0045]
(5)测量损伤发生后的结构静响应与动响应信号。损伤发生后的结构静响应信号与动响应信号指损伤发生后结构在额定载荷状态下的静响应应变传感器信号以及力锤敲击激励下的自由振动应变传感器信号。
[0046]
(6)依据基础信号以及主动激励信号，使用时间反演聚焦成像方法，确定损伤位置。
[0047]
如图2所示，pzt1
‑
pzt4为布置的压电传感器，损伤即为发生损伤的位置，监测点表示在损伤监测区域逐点扫描；时间反演聚焦成像方法是指，通过压电传感器测量的弹性波信号，利用波传播的可逆性，进行时间反演，将多测点信号视作信号源传播出去，对监测区域逐点进行相位合成，则多测点信号聚焦在信号发生处，即损伤产生的位置。到此完成了损伤位置辨识，将检测到损伤位置处的有限元单元视作损伤单元，进行后续运算。时间反演聚焦成像方法的具体操作如下：
[0048]
1)将损伤后测得信号响应与损伤前测得信号响应做差，得到差信号，即为损伤引起的压电信号；
[0049]
2)将差信号进行香农小波变换，得到压电激励后能量传输的时间序列，对处理后的信号时间相位反转；
[0050]
3)选择监测区域中一点，根据选择监测点位置与接收信号传感器距离计算信号相位平移距离并对信号进行相位平移：
[0051]
[0052]
式中c
m
(t)为平移后信号，c
r
(t)为平移前信号，l为监测点与接收信号传感器的距离，v为lamb波传播速度。
[0053]
4)将多组相位平移后信号进行叠加，并对叠加后信号进行平方积分：
[0054][0055]
式中cwt(x，y)为监测区域中坐标为(x，y)处的叠加后信号强度，c
i
为相对于监测区域中坐标为(x，y)位置处的第i个通道平移后的信号，n为通道数，t0t1为信号开始时间以及结束时间。
[0056]
5)选择监测区域中另一点并重复3
‑
4，直到区域中所有点计算完成；
[0057]
6)将检测区域内的信号计算值进行归一化，并将结果作为该点像素值进行成像，像素值最大的区域即为辨识损伤区域。
[0058]
(7)根据上一步确定的损伤位置，以及第一步建立的损伤识别基础数值模型，建立基于该处损伤的损伤识别修正模型。损伤识别修正模型有如下特点：第一在损伤发生的区域，该损伤模型的损伤单元刚度参数可以修改，且单元刚度与损伤变量保持对应。第二在损伤变量设置为0即未发生损伤时，结构静力应变响应与自由振动激励响应与基础信号测量结果一致。
[0059]
其中损伤变量采用刚度折减量来表示，即表征刚度可表示为材料刚度的函数，如下式：
[0060]
e
d
＝e
m
(1
‑
d)
[0061]
式中e
d
为损伤刚度，即表征刚度，e
m
为各向同性材料未发生损伤时刚度，d为损伤变量。对于对称铺层复合材料层合板，上式中的e表示为复合材料层合板的刚度参数，具体表示为下式：
[0062][0063]
b＝0
[0064][0065][0066]
其中a为复合材料层合板拉伸刚度矩阵，b为复合材料层合板拉弯耦合刚度矩阵，d为复合材料层合板弯曲刚度矩阵，h为复合材料层合板剪切刚度矩阵。
[0067]
根据损伤量化模型对有限元模型中损伤处的单元刚度重新计算并修改，得到损伤单元的刚度矩阵与损伤变量之间的关系，修正后的有限元模型即为损伤识别修正模型。
[0068]
(8)设置损伤单元损伤量化程度，通过有限元仿真分析响应含损伤结构的有限元模型。分析内容包括额定载荷作用下的静力应变响应以及自由振动动响应，比较仿真分析结果与第五步测量得到的损伤状态下的结构静响应与动响应信号，如果结果一致，则认为单元损伤程度即为设置的量化程度，如果不一致则执行第(9)步。为评估信号一致程度，通
过下式对其进行描述：
[0069][0070]
其中n是应变测点数量，l是模态测量数量，λ
1i
为第i个应变测点的放大系数，ε
ci
为第i个测点的有限元分析应变结果，ε
mi
为第i个测点的实验测量得到的应变结果，λ
2j
为第j阶模态的放大系数，f
cj
为有限元分析得到的第j阶模态频率，f
mj
为通过实验测量得到的第j阶模态频率，该结果越小，代表计算模型与实验模型的一致程度越高。
[0071]
(9)通过对损伤单元的损伤量化程度进行小变量变化，求得反应响应，得到响应变化与损伤单元损伤程度变化之间的关系。将损伤单元损伤量化程度沿着能使仿真分析的结构静响应与动响应更接近的方向修改，并重复第(8)步。这一过程可以表示为优化形式：
[0072]
find d
i
(i＝1，2，...，14)
[0073]
s.t.min err
[0074]
其中err即为第(8)步中的对信号一致程度的评估。优化求解得到损伤定位识别后设置的损伤变量的值，即为损伤量化程度。
[0075]
综上所述，本发明提出了一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法。首先，根据辨识的复合材料层合板对象建立相应的数值模型，并修正模型以确保数值模型可以重现试验中的载荷与响应结果；其次，针对未损伤结构进行基础信号的测量，基础信号包括但不限于静态应变、lamb波信号、固有频率、模态等；接着，在结构产生损伤之后，对结构进行损伤信号的测量，损伤信号与基础信号的信号类型以及测量方法相同；之后，针对导波信号，利用时间反演成像方法实现结构损伤定位，并在数值模型中定位损伤；最后，对损伤结构的数值模型进行分析，确定损伤单元的刚度折减程度，实现对结构损伤程度的量化，为后续结构的控制策略与维修策略提供指导与参考。
[0076]
以上仅是本发明的具体步骤，对本发明的保护范围不构成任何限制；其可扩展应用于损伤识别问题的领域，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
[0077]
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。