一种基于愈合调节因子的结构健康状态评估方法

1.本发明涉及结构健康状态评估方法，特别涉及一种基于愈合调节因子的结构健康状态评估方法。


背景技术：

2.结构件是工程发展过程中各类结构组成的重要部分，对支撑整体装备的可靠性与稳定性起到重要的作用。一方面，伴随着使用时间的增加与工作环境的恶化，结构常出现损坏的迹像；另一方面，许多装备无法实现人工常态化的上机检测。故通过一定的手段或方法来实时评估结构的健康状态是必要的。但目前的结构健康状态评估方法往往是通过计算结构或材料本体在外载作用下的损伤趋势性系数或累积性阙值程度态来实现的，而没有考虑很多装备的间隙性工作特性对结构健康状态的反向叠加影响效果，进而会影响到评估过程的效率与评估结果的可信度。因此，通过相应的因子来刻化间隙性工作特性的影响过程，进而评估结构健康状态是必要且可行的。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明目的是提供一种精确的、高效的基于愈合调节因子的结构健康状态评估方法。
4.技术方案：所述的基于愈合调节因子的结构健康状态评估方法，包括如下步骤：
5.s1.结构工况条件下反向异声波谱的采集：
6.首先，在pro-e软件中建立待分析结构的三维模型，并将建立的结构件三维模型导入到有限元分析软件ansys中，设定四面体网格为三维模型的网格划分公式，待约束和工况载荷条件设置完毕后对其静载前条件的应力分布进行求解，完毕后选择其在工况条件下应力分布数值较大的关键位置，并在ansys软件中继续计算这几个位置所对应的瞬态响应分布及最大响应数值。并在此基础上，选择最大应力分布与最大瞬态响应互相重叠的危险区域，作为待采集反向异声波谱的采集点位置，在三维模型上进行适当标定，记为编号i，i＝1，2，..m，m为标记的危险区域的个数。
7.在第i号结构件区域上布置间隙性异声谱采集设备及传感器单元工况条件下结构件的反向异声波谱信息进行实时采集，记其实时采集到的声谱幅值为a
ij
(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)并在此基础上，实时采集反向异声波谱的导波率d
ij
及反向疏导率f
ij
(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)
8.s2.反向异声波扩张系数与波紧缩系数的确定：
9.在s1分析所获得的结果基础上，代入下式对波扩张系数ki与波紧缩系数si进行求解
[0010][0011][0012][0013]
其中，ki为每个危险区域i所对应的波扩张系数，m为标记的危险区域的个数，tm为采集的实时时间，a
ij
为实时采集到的声谱幅值(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)，t为时间分量，i为区域编号，a
ijmax
为所有实时采集到的声谱幅值中的最大值，a
ijmin
为所有实时采集到的声谱幅值中的最小值，为所有实时采集到的声谱幅值中的均值，为第i号区域上实时采集到声谱幅值中的均值
[0014][0015]
式中，m为标记的危险区域的个数，tm为采集的实时时间，a
ij
为实时采集到的声谱幅值(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)，a
ijmin
为所有实时采集到的声谱幅值中的最小值，i为区域编号，为所有实时采集到的声谱幅值中的均值，为第i号区域上实时采集到声谱幅值中的均值。
[0016]
s3.反向异声谱中异变提取因子的确定：
[0017]
在s1与s2分析数据的基础上，将s2中采集到的实时声谱幅值的最大值a
ijmax
作用输入条件输入到有限元分析软件中，反向计算所对应的最大工况载荷数值σ
max
，分布区域所对应的最小工况载荷数值σ
min
及第一主应力反向上的平均应力值σm。
[0018]
然后代入下式对反向异声谱中异变提取因子yi进行求解
[0019][0020]
其中，yi为第i号部分区域的反向异声谱中异变提取因子，σ
max
为最大工况载荷数值，σ
min
为最小工况载荷数值，tm为采集的实时时间，d
ij
为实时采集反向异声波谱的导波率，f
ij
为实时采集反向异声波谱的反向疏导率。
[0021]
s4.结构健康愈合调节因子的确定：
[0022]
在s1-s3分析所获得的数据基础上，对结构健康愈合调节因子ti进行求解
[0023][0024]
其中，ti为第i号危险区域所对应的结构健康愈合调节因子，yi为第i号部分区域的反向异声谱中异变提取因子，ki为每个危险区域i所对应的波扩张系数，c(ki)
max
为所有危险区域i所对应的波扩张系数ki中的最大值，c(ki)
min
为所有危险区域i所对应的波扩张系数ki中的最小值，si为每个危险区域i所对应的波紧缩系数，c(si)
max
为所有危险区域i所对应的波紧缩系数si中的最大值，c(si)
min
为所有危险区域i所对应的波紧缩系数si中的最小值。
[0025]
s5.大型结构件健康状态值的确定：
[0026]
根据s1-s4的计算结果，代入下式对大型结构件的健康状态数值h进行求解
[0027][0028]
其中，h为大型结构件的健康状态数值，为所有危险区域i所对应结构健康愈合调节因子ti的均值，c(ti)
max
所有危险区域i所对应的健康愈合调节因子ti中的最大值，c(ti)
min
所有危险区域i所对应的健康愈合调节因子ti中的最小值，tm为采集的实时时间，n为固定载荷下的标定时间。
[0029][0030]
其中，n为固定载荷下的标定时间，c，ε均为材料所特定的疲劳特征系数，σ
max
为最大工况载荷数值。
[0031]
有效效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：
[0032]
本发明可以实现结构件在非正常连续工作条件下结构健康状态的实时评估，通过反向异声波谱来实时反应结构中极端工况的位置，进而结合有限元分析结果估算波扩张系数与波紧缩系数，并通过异变提取因子的加入来融合波扩张系数与波紧缩系数，构建结构特定的愈合调节因子，有利于精确地实时获取大型结构件的健康状态值，从而更有效的提高复杂装备结构运行的安全性。
附图说明
[0033]
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
[0034]
如图1所示，本实施例的基于愈合调节因子的结构健康状态评估方法，包括以下步骤：
[0035]
s1.结构工况条件下反向异声波谱的采集：
[0036]
首先，在pro-e软件中建立待分析结构的三维模型，并将建立的结构件三维模型导入到有限元分析软件ansys中，设定四面体网格为三维模型的网格划分公式，待约束和工况载荷条件设置完毕后对其静载前条件的应力分布进行求解，完毕后选择其在工况条件下应力分布数值较大的关键位置，并在ansys软件中继续计算这几个位置所对应的瞬态响应分布及最大响应数值。并在此基础上，选择最大应力分布与最大瞬态响应互相重叠的危险区
域，作为待采集反向异声波谱的采集点位置，在三维模型上进行适当标定，记为编号i，i＝1，2，..m，m为标记的危险区域的个数。
[0037]
在第i号结构件区域上布置间隙性异声谱采集设备及传感器单元工况条件下结构件的反向异声波谱信息进行实时采集，记其实时采集到的声谱幅值为a
ij
(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)并在此基础上，实时采集反向异声波谱的导波率d
ij
及反向疏导率f
ij
(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)
[0038]
s2.反向异声波扩张系数与波紧缩系数的确定：
[0039]
在s1分析所获得的结果基础上，代入下式对波扩张系数ki与波紧缩系数si进行求解
[0040][0041][0042][0043]
其中，ki为每个危险区域i所对应的波扩张系数，m为标记的危险区域的个数，tm为采集的实时时间，a
ij
为实时采集到的声谱幅值(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)，t为时间分量，i为区域编号，a
ijmax
为所有实时采集到的声谱幅值中的最大值，a
ijmin
为所有实时采集到的声谱幅值中的最小值，为所有实时采集到的声谱幅值中的均值，为第i号区域上实时采集到声谱幅值中的均值
[0044][0045]
式中，m为标记的危险区域的个数，tm为采集的实时时间，a
ij
为实时采集到的声谱幅值(其中，i为区域编号，i＝1，2，..m，j为声谱幅值的采集时间，j＝1，2，..tm，tm为采集的实时时间)，a
ijmin
为所有实时采集到的声谱幅值中的最小值，i为区域编号，为所有实时采集到的声谱幅值中的均值，为第i号区域上实时采集到声谱幅值中的均值。
[0046]
s3.反向异声谱中异变提取因子的确定：
[0047]
在s1与s2分析数据的基础上，将s2中采集到的实时声谱幅值的最大值a
ijmax
作用输入条件输入到有限元分析软件中，反向计算所对应的最大工况载荷数值σ
max
，分布区域所对应的最小工况载荷数值σ
min
及第一主应力反向上的平均应力值σm。
[0048]
然后代入下式对反向异声谱中异变提取因子yi进行求解
[0049][0050]
其中，yi为第i号部分区域的反向异声谱中异变提取因子，σ
max
为最大工况载荷数值，σ
min
为最小工况载荷数值，tm为采集的实时时间，d
ij
为实时采集反向异声波谱的导波率，f
ij
为实时采集反向异声波谱的反向疏导率。
[0051]
s4.结构健康愈合调节因子的确定：
[0052]
在s1-s3分析所获得的数据基础上，对结构健康愈合调节因子ti进行求解
[0053][0054]
其中，ti为第i号危险区域所对应的结构健康愈合调节因子，yi为第i号部分区域的反向异声谱中异变提取因子，ki为每个危险区域i所对应的波扩张系数，c(ki)
max
为所有危险区域i所对应的波扩张系数ki中的最大值，c(ki)
min
为所有危险区域i所对应的波扩张系数ki中的最小值，si为每个危险区域i所对应的波紧缩系数，c(si)
max
为所有危险区域i所对应的波紧缩系数si中的最大值，c(si)
min
为所有危险区域i所对应的波紧缩系数si中的最小值。
[0055]
s5.大型结构件健康状态值的确定：
[0056]
根据s1-s4的计算结果，代入下式对大型结构件的健康状态数值h进行求解
[0057][0058]
其中，h为大型结构件的健康状态数值，为所有危险区域i所对应结构健康愈合调节因子ti的均值，c(ti)
max
所有危险区域i所对应的健康愈合调节因子ti中的最大值，c(ti)
min
所有危险区域i所对应的健康愈合调节因子ti中的最小值，tm为采集的实时时间，n为固定载荷下的标定时间，
[0059][0060]
其中，n为固定载荷下的标定时间，c，ε均为材料所特定的疲劳特征系数，σ
max
为最大工况载荷数值。