CN104880511A - 一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于各向异性材料的监测技术领域，涉及一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法。所述的方法使用两个以上传感器单元，一个传感器单元内的任一传感器发射信号，与该传感器单元临近的传感器单元内三个传感器接收信号，将接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号，计算得出一条关于裂纹端点的曲线；使用相同方法，得出另一条关于裂纹端点的曲线，两条曲线的交点即为裂纹的一个端点；选择其他传感器单元，使用相同方法得到裂纹的另一端点。本方法不需要假定被监测对象为各向同性结构，适合目前越来越广泛应用于飞机结构的复合材料和变厚度材料等各向异性结构的裂纹损伤定位和定量化监测，为结构健康监测带来了更高的精确性。

Description

一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法

技术领域

本发明属于各向异性材料的监测技术领域，涉及一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法。

背景技术

结构健康监测技术能大幅度地降低飞机结构的维护成本、提高飞机的安全性。其中飞行时间法可以通过散射信号对裂纹的两个尖端进行定位，从而确定损伤的尺寸，实现损伤的定量化。但是，对于复合材料而言，很多都是各向异性材料，导波在不同方向上的传播速度不同。同时，即使材料本身是各项同性材料，如果材料的厚度发生变化的话，波在不同方向传播的速度也会不同。这样使用飞行时间法进行损伤定位和定量就会存在一定误差。

发明内容

本发明解决的技术问题为：提供一种监测各向异性材料损伤的方法，提高损伤定位和定量的精度。

本发明的技术方案为：所述的方法使用两个以上的传感器单元，每个传感器单元包括三个传感器，由一个传感器单元的任一传感器发射信号，由与该传感器单元临近的另一传感器单元的三个传感器接收信号，将接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号，假定信号到一个传感器单元的三个传感器的传播速度相同，根据得到的三个裂纹损伤散射信号计算得出一条关于裂纹端点的曲线；使用相同方法，使上述接收信号的传感器单元发射信号，另一传感器单元接收信号，得出另一条关于裂纹端点的曲线，两条曲线的交点即为裂纹的一个端点；选择临近的其他传感器单元，使用相同方法得到裂纹的另一端点，由此得到的两个端点即可确定裂纹的准确位置和尺寸。

作为本技术方案的一种改进，通过在已知损伤点的试验件上初步试验，根据损伤定位精度要求，确定传感器单元内三个传感器的最优相互间距。通过反向试验的方法，能够准确的找出三个传感器之间的最优位置关系，并且成本较低，为后续的检测打好了基础。并且，由于检测和反向试验针对的构件和环境基本相同，所以这一方法得到的结果也更加可靠。

所述的方法包括如下步骤：

步骤一，在没有损伤的结构上，采集所有传感器的基准信号；

在待检测区域内安装两个以上传感器单元，并在检测区域内建立坐标系，设裂纹一个端点的坐标为(x_o,y_o)；

步骤二，在待检测结构件上，使其中一个传感器单元内任一传感器发射信号，与该传感器单元相近的传感器单元内的所有传感器接收信号，接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号；

步骤三，根据步骤三中得到的裂纹损伤散射信号计算得到一条关于x_o和y_o的曲线；

步骤四，让步骤三中接收信号的传感器单元中任一传感器发射信号，另一传感器单元中所有传感器接收信号，接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号；

步骤五，根据步骤五中得到的裂纹损伤散射信号得到另外一条关于x_o和y_o的曲线，求出与步骤四中得到曲线的交点，即为裂纹的一个端点；

步骤六，选择另一组传感器单元，重复步骤二、三、四和五，得到损伤裂纹的另一端点。

作为该步骤的一种改进，根据该区域经常出现的裂纹形式，将传感器单元布置在易出现裂纹区域的四周。根据以往的经验对待检测结构件进行一定的预判，有利于快速准确地找到裂纹端点。

作为该步骤的一种改进，根据以下公式计算关于x_o和y_o的曲线，

$\frac{\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_o-y_1)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_2)}^2+{(y_o-y_2)}^2}}{\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_o-y_1)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_3)}^2+{({1y}_o-y_3)}^2}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{12}}{\mathrm{\Δ}{t}_{13}}$

其中接收信号的传感器坐标为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)和(x₃,y₃)，三个传感器接收信号的时间差为Δt₁₂和Δt₁₃。

本发明的有益效果为：本方法不需要假定被监测对象为各向同性结构，适合目前越来越广泛应用于飞机结构的复合材料和变厚度材料等各向异性结构的裂纹损伤定位和定量化监测，为结构健康监测带来了更高的精确性。

附图说明

图1为传感器单元检测损伤示意图；

图2为损伤散射信号传播示意图；

图3为传感器单元计算裂纹损伤尖端坐标曲线；

图4为裂纹曲线端点计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法，所述的方法使用两个以上传感器单元，每个三传感器单元由3个传感器组成。采集信号的方法是三传感器单元中的任一个传感器发射声波信号，然后用与该传感器单元临近的另外一个三传感器单元里的全部三个传感器接收信号。在裂纹产生之前采集基准信号,然后当使用了一段时间产生了一个损伤裂纹OP之后,再采集一次信号,两次信号相减即得到裂纹损伤散射信号,由于一个三传感器单元中的三个传感器相距很近，所以可以近似把裂纹损伤尖端散射信号传播到三个传感器的方向视为同一方向，从而可以近似地认为这三个传感器所接收的波的波速相同。

如图2所示，损伤散射信号分别被1号、2号和3号传感器所接收，且它们之间存在时间差Δt₁₂和Δt₁₃。散射信号传到1号传感器的距离L_o1和传到2号传感器的距离L_o2之间的差为L_o1-L_o2，同理散射信号传到1号传感器的距离L_o1和传到3号传感器的距离L_o3之间的差为L_o1-L_o3，该处对1、2、3号传感器的表述不特指1、2、3号分别代表哪一个传感器，只需要定义的1、2、3号传感器与该处的坐标相对应即可。裂纹尖端O的坐标表示为(x_o,y_o),1号、2号和3号三个传感器的坐标分别表示为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)和(x₃,y₃)。根据上述波速相同的假设，有如下关系：

$\frac{L_{o1}-L_{o2}}{L_{o1}-L_{o3}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{12}}{\mathrm{\Δ}{t}_{13}}$

其中：

$L_{o1}=\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_o-y_1)}^2}$

$L_{o2}=\sqrt{{(x_o-x_2)}^2+{(y_o-y_2)}^2}$

$L_{o3}=\sqrt{{(x_o-x_3)}^2+{(y_o-y_3)}^2}$

因此上述公式可写为：

$\frac{\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_o-y_1)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_2)}^2+{(y_o-y_2)}^2}}{\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_o-y_1)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_3)}^2+{({1y}_o-y_3)}^2}}=\frac{\mathrm{\Δ}{t}_{12}}{\mathrm{\Δ}{t}_{13}}$

其中，只有x_o和y_o为未知量，所以可以通过以上等式得到一条关于x_o和y_o的曲线，即为一条裂纹损伤尖端定位曲线，如图3所示，裂纹损伤尖端的位置就在这条曲线上。同样道理，利用2号传感器单元的某个传感器发射信号，利用1号传感器单元的全部3个传感器接收信号，可以得到另外一条裂纹损伤尖端位置曲线。这两条曲线的交点即为裂纹损伤尖端O的位置。同理，如图4所示,通过另外两个三传感器单元可得到另一个裂纹损伤尖端位置P，将OP连起来就是监测所得到的裂纹位置，而OP的长度即为裂纹的长度，从而可实现裂纹的定位与定量化监测。

该方法主要包括以下步骤：

步骤一，采集所有传感器的基准信号。采集方法为，在确定结构没有不符合要求的裂纹损伤时，将传感器安装于结构上，然后选择所有临近的传感器单元形成成对组合。让每一对传感器单元都进行互相激励和接受信号，采集所有传感器单元的基准信号；其目的就是为了与损伤监测时接受到的信号进行处理，得到裂纹损伤散射信号。裂纹损伤散射信号即是由裂纹损伤对激励信号的散射而产生的波信号。

在待检测区域内安装两个以上传感器单元，并在检测区域内建立坐标系，设裂纹一个端点的坐标为(x_o,y_o)。根据该区域经常出现的裂纹形式，将传感器单元布置在裂纹的四周。对于经常出现损伤的热点位置，要在该位置周围布置传感器单元。通过在已知损伤点的试验件上初步试验确定传感器单元内传感器的间距，间距太大则波速一致的假设不成立，间距太小则容易产生误差。进行试验的方法是对已经确定的损伤点进行检测，不断调整传感器单元内传感器的间距，直至发现计算得到的位置与实际损伤位置最近接时传感器的间距。

步骤二，使其中一个传感器单元内任一传感器发射信号，与该传感器单元相近的传感器单元内的所有传感器接收信号，接收到的信号与对应的基准信号相减得到裂纹损伤散射信号；

步骤三，根据步骤二中得到的裂纹损伤散射信号计算得到一条关于x_o和y_o的曲线。

步骤四，让步骤二中接收信号的传感器单元中任一传感器发射信号，另一传感器单元中所有传感器接收信号，接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号。

步骤五，根据步骤四中得到的裂纹损伤散射信号得到另外一条关于x_o和y_o的曲线，求出与步骤三中得到曲线的交点，即为裂纹的一个端点；

步骤六，选择另一组传感器单元，重复步骤二、三、四和五，得到损伤裂纹的另一端点。

最后，将步骤五和步骤六中的两个端点连起来就是监测所得到的裂纹，连接线的长度即为裂纹的长度，从而实现了裂纹的定位与定量化监测。

Claims (5)

1.一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法，其特征为：所述的方法使用两个以上的传感器单元，每个传感器单元包括三个传感器，由一个传感器单元的任一传感器发射信号，由与该传感器单元临近的另一传感器单元的三个传感器接收信号，将接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号，假定信号到一个传感器单元的三个传感器的传播速度相同，根据得到的三个裂纹损伤散射信号计算得出一条关于裂纹端点的曲线；使用相同方法，使上述接收信号的传感器单元发射信号，另一传感器单元接收信号，得出另一条关于裂纹端点的曲线，两条曲线的交点即为裂纹的一个端点；选择临近的其他传感器单元，使用相同方法得到裂纹的另一端点，由此得到的两个端点即可确定裂纹的准确位置和尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法，其特征为：通过在已知损伤点的试验件上初步试验，根据损伤定位精度要求，确定传感器单元内三个传感器的最优相互间距。

3.根据权利要求1所述的一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法，其特征为：所述的方法包括如下步骤：

步骤一，在没有损伤的结构上，采集所有传感器的基准信号；

在待检测区域内安装两个以上传感器单元，并在检测区域内建立坐标系，设裂纹一个端点的坐标为(x_o,y_o)；

步骤二，在待检测结构件上，使其中一个传感器单元内任一传感器发射信号，与该传感器单元相近的传感器单元内的所有传感器接收信号，接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号；

步骤三，根据步骤三中得到的裂纹损伤散射信号计算得到一条关于x_o和y_o的曲线；

步骤四，让步骤三中接收信号的传感器单元中任一传感器发射信号，另一传感器单元中所有传感器接收信号，接收到的信号与基准信号相减得到裂纹损伤散射信号；

步骤五，根据步骤五中得到的裂纹损伤散射信号得到另外一条关于x_o和y_o的曲线，求出与步骤四中得到曲线的交点，即为裂纹的一个端点；

步骤六，选择另一组传感器单元，重复步骤二、三、四和五，得到损伤裂纹的另一端点。

4.根据权利要求3所述的一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法，其特征为：根据该区域经常出现的裂纹形式，将传感器单元布置在易出现裂纹区域的四周。

5.根据权利要求3所述的一种监测各向异性材料裂纹损伤的方法，其特征为：根据以下公式计算关于x_o和y_o的曲线，

$\frac{\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_o-y_1)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_2)}^2+{(y_o-y_2)}^2}}{\sqrt{{(x_o-x_1)}^2+{(y_o-y_1)}^2}-\sqrt{{(x_o-x_3)}^2+{(y_o-y_3)}^2}}=\frac{{\mathrm{\Δt}}_{12}}{{\mathrm{\Δt}}_{13}}$

其中接收信号的传感器坐标为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)和(x₃,y₃)，三个传感器接收信号的时间差为Δt₁₂和Δt₁₃。