CN105388190B - 基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合机电阻抗的复合材料飞机机翼损伤定位方法，首先，制备压电片阵列；其次，按预定的水平和竖直顺序，对粘接在飞机机翼无损区的压电片阵列施加激励，进行电导纳测试，确定检测频段和无损伤信号电导纳的随机误差分布，并设定损伤阈值；再次，对飞机有损区域进行电导纳信号测试，并计算其与无损状况下导纳信号的互相关系数；最后，对损伤进行互相关系数损伤阀值判断，以及损伤水平和垂直方向插值定位。本发明采用压电片阵列避免了由于压电片多次粘结造成的粘结界面不均匀的问题，提高了操作精度，采用互相关系数损伤阀值判断和损伤插值定位，不仅实现了损伤的检出，还实现了对损伤的定位。

Description

基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法

技术领域

本发明涉及复合材料结构无损检测技术领域，尤其涉及一种基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法。

背景技术

随着对飞机性能指标要求的不断提升，飞机使用的传统材料已经渐渐显现出其局限性。复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳和隔热隔音性能突出等特点，目前在不同用途的飞机上都得到大量使用。但复合材料飞机构件在制造和服役过程中容易产生脱粘、分层和裂纹等缺陷，为了满足航空工业产品高质量、高可靠性、高性能和长寿命的要求，必须对复合材料飞机构件进行全方位检测。复合材料构件装机之后，由于其承受的压力载荷大，疲劳程度高，发生损伤的可能性很大，需要经常对复合材料构件进行检测，而多数复合材料构件在装机使用后，不便于拆卸和分解，因此必须要对其进行外场、原位检测。

目前已有的复合材料飞机检测方法存在不适应复杂检测形状、检测的空间狭小、现场条件差、测试步骤繁琐、后续数据处理过程复杂、干扰因素多、可重复性差和检测效率低等不足，因而目前还只限于实验室研究。

近年来，基于机电耦合阻抗的损伤检测方法在民用传统材料结构构件健康检测中得到了广泛应用。基于机电耦合阻抗的损伤检测方法的特点和优势主要在于该方法检测灵敏度高、信号采集及处理方便快捷，因此能够更高效地评估损伤详细状况。然而，阻抗法扫描频率越高，对损伤越敏感，检测区域也相应变小，不利于损伤定位。同时，为准确对损伤进行检测和定位，往往需要反复粘贴阻抗压电片、出现粘结界面不均匀等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于耦合机电阻抗的复合材料飞机机翼损伤定位方法，能够对飞机机翼等构件内部裂纹和脱粘等损失情况进行检测和定位。

本发明采用的技术方案为：一种基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法，包括以下步骤：

(1)、将9个压电片组成的压电片阵列粘贴在圆形的接触片上，所述压电片阵列包括以接触片圆心为中心，在接触片的水平方向和竖直方向上各均匀设置的4个压电片以及设置在接触片圆心的压电片，进入步骤(2)；

(2)、将接触片依次附着于待测结构的无损伤区域的n个测试点，按从左到右、从上到下的顺序对接触片上的压电片阵列施加高频电压激励，并依次接收压电片阵列反馈的无损电导纳信号，进入步骤(3)；

(3)选取步骤(2)中接收到的无损电导纳信号的谐振幅值变化小于0.001S的频带作为检测频段，并确定无损伤信号电导纳的随机误差分布作为基准数据，计算每个压电片所得的n组无损电导纳中任意两组无损电导纳之间的互相关系数其中，N为采样点数；i为第i个采样点，i＝1,2,3…N；X_i和Y_i为任意两组测试的无损电导纳值；为X_i的平均值；为Y_i的平均值；为X_i的标准差，为Y_i的标准差；进入步骤(4)；

(4)、计算步骤(3)中获得的获得9组，每组为个的互相关系数R的均值μ和均方差σ，设定损伤阀值TH＝μ-3σ，进入步骤(5)；

(5)、将接触片附着于待测结构的第j个测试点，在步骤(3)确定的检测频段下，按从左到右的顺序对接触片上水平方向的压电片施加高频电压激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号,其中j＝1,2,3…m，进入步骤(6)；

(6)、将接触片上水平方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片反馈的无损伤电导纳信号分别进行水平方向的互相关系数R_x的计算，若存在R_x小于损伤阀值TH，说明损伤存在，进入步骤(7)；若R_x均大于等于阀值TH，说明无损伤存在，继续进行下一个测试点的测试，进入步骤(5)；

(7)、选取R_x值最小的压电片和与其相临的两个压电片进行损伤水平位置的计算，将R_x值最小的压电片的电导纳实部互相关系数以及与其相临的两个压电片的电导纳实部互相关系数代入公式得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的水平距离x，其中，q＝1,2,3,4,5，R_xq为水平方向上第q个压电片的电导纳实部互相关系数；L_xq为损伤与压电片之间的距离；a和b为待定系数；p表示距离起标示作用；进入步骤(8)；

(8)、在步骤(3)确定的检测频段下，按从上到下的顺序对接触片上竖直方向的压电片阵列施加高频电压激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号，进入步骤(9)；

(9)、将接触片上竖直方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片产生的无损伤电导纳信号进行竖直方向的互相关系数R_y的计算，并找出R_y最小的压电片，进入步骤(10)；

(10)、选取R_y值最小的压电片和与其相临的两个压电片进行损伤水平位置的计算，将R_y值最小的压电片的电导纳实部互相关系数以及与其相临的电导纳实部互相关系数代入公式得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的竖直距离y，其中，k＝1,2,3,4,5，R_yk为竖直方向上第k个压电片的电导纳实部互相关系数；L_yk为损伤与压电片之间的距离；a′和b′为待定系数；p表示距离起标示作用。

所述的接触片的半径为110mm。

所述的步骤(2)中和步骤(5)中，采用可去除粘结剂将接触片依次附着于待测结构的测试点上，所述可去除粘结剂为可去除高模量粘结剂。

本发明采用压电片阵列避免了由于压电片多次粘结造成的粘结界面不均匀的问题，提高了操作精度，采用互相关系数损伤阀值判断和损伤插值定位，不仅实现了损伤的检出，还实现了对损伤的定位。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例中无损伤和损伤区域压电片电导纳信号实部的曲线；

图3为本发明实施例中无损伤和损伤区域压电片电导纳信号实部的互相关系数值柱状图；

图4为本实施例中损伤定位示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法，包括以下步骤：

(1)、将9个压电片组成的压电片阵列粘贴在圆形的接触片上，所述压电片阵列包括以接触片圆心为中心，在接触片的水平方向和竖直方向上各均匀设置的4个压电片以及设置在接触片圆心的压电片，进入步骤(2)；

(2)、采用可去除高模量粘结剂将接触片依次附着于待测结构的无损伤区域的n个测试点，按从左到右、从上到下的顺序对接触片上的压电片阵列施加高频电压激励，并依次接收压电片阵列反馈的无损电导纳信号，进入步骤(3)；

(3)选取步骤(2)中接收到的无损电导纳信号的谐振幅值变化小于0.001S的频带作为检测频段，并确定无损伤信号电导纳的随机误差分布作为基准数据，计算每个压电片所得的n组无损电导纳中任意两组无损电导纳之间的互相关系数其中，N为采样点数；i为第i个采样点，i＝1,2,3…N；X_i和Y_i为任意两组测试的无损电导纳值；为X_i的平均值；为Y_i的平均值；为X_i的标准差，为Y_i的标准差；进入步骤(4)；

(4)、计算步骤(3)中获得的获得9组，每组为个的互相关系数R的均值μ和均方差σ，设定损伤阀值TH＝μ-3σ，进入步骤(5)；

(5)、用可去除粘结剂将接触片附着于待测结构的第j个测试点，在步骤(3)确定的检测频段下，按从左到右的顺序对接触片上水平方向的压电片施加高频电压激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号,其中j＝1,2,3…m，进入步骤(6)；

(6)、将接触片上水平方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片反馈的无损伤电导纳信号分别进行水平方向的互相关系数R_x的计算，若存在R_x小于损伤阀值TH，说明损伤存在，进入步骤(7)；若R_x均大于等于阀值TH，说明无损伤存在，继续进行下一个测试点的测试，进入步骤(5)；

(7)、选取R_x值最小的压电片和与其相临的两个压电片进行损伤水平位置的计算，将R_x值最小的压电片的电导纳实部互相关系数以及与其相临的两个压电片的电导纳实部互相关系数代入公式得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的水平距离x，其中，q＝1,2,3,4,5，R_xq为水平方向上第q个压电片的电导纳实部互相关系数；L_xq为损伤与压电片之间的距离；a和b为待定系数；p表示距离起标示作用；进入步骤(8)；

(8)、在步骤(3)确定的检测频段下，按从上到下的顺序对接触片上竖直方向的压电片阵列施加高频电压激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号，进入步骤(9)；

(9)、将接触片上竖直方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片产生的无损伤电导纳信号进行竖直方向的互相关系数R_y的计算，并找出R_y最小的压电片，进入步骤(10)；

(10)、选取R_y值最小的压电片和与其相临的两个压电片进行损伤水平位置的计算，将R_y值最小的压电片的电导纳实部互相关系数以及与其相临的电导纳实部互相关系数代入公式得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的竖直距离y，其中，k＝1,2,3,4,5，R_yk为竖直方向上第k个压电片的电导纳实部互相关系数；L_yk为损伤与压电片之间的距离；a′和b′为待定系数；p表示距离起标示作用。

本实施例中根据飞机检测手则中最小检测区域原则，对飞机蒙皮结构面板中可能存在的损伤进行检测，包括以下步骤：

(1)、将9个压电片组成的压电片阵列粘贴在半径为110mm的圆形接触片上，所述压电片阵列包括以接触片圆心为中心，在接触片的水平方向和竖直方向上各均匀设置的4个压电片以及设置在接触片圆心的压电片；

水平方向的压电片从左到右依次标号为1、2、3、4和5，竖直方向的压电片从上到下依次标号为1’、2’、3、4’和5’。在可见损伤的最长轴单边至少扩大100mm的圆形区域进行检测，保证面积大于20*20mm的损伤全部被检出，设定1和5号压电片的距离以及1’和5’号压电片的距离为220mm，进入步骤(2)；

(2)、在可能存在损伤区域400mm以外，随即设置n个无损伤区域测试点(保证无损伤区域测试点的材料、力学边界条件与损伤区域测试点的一致)，用清洁液将待测飞机结构区域及周围区域表面进行清洁，用可去除粘结剂将接触片依次附着于待测飞机结构的无损伤区域的n个测试点，按从左到右、从上到下的顺序对接触片上的压电片阵列施加高频电压激励，并依次接收压电片阵列反馈的电导纳信号，进入步骤(3)；

(3)、选取步骤(2)中接收到的无损电导纳信号的谐振幅值变化小于0.001S的频带作为检测频段，并确定无损伤信号电导纳的随机误差分布作为基准数据，计算每个压电片所得的n组无损电导纳中任意两组之间无损电导纳的互相关系数其中，N为采样点数；i为第i个采样点，i＝1,2,3…N；X_i和Y_i为任意两组测试的无损电导纳值；为X_i的平均值；为Y_i的平均值；为X_i的标准差，为Y_i的标准差；进入步骤(4)；

(4)、计算步骤(3)中获得的获得9组，每组为个的互相关系数R的均值μ和均方差σ，设定损伤阀值TH＝μ-3σ，进入步骤(5)；

(5)、用可去除粘结剂将接触片附着于待测结构的第j个测试点，在步骤(3)确定的检测频段下，依次给接触片上水平方向编号为1、2、3、4和5的压电片施加高频激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号,其中j＝1,2,3…m，进入步骤(6)；

(6)、将接触片上水平方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片产生的无损伤电导纳信号进行水平方向的互相关系数R_x的计算，若存在R_x小于损伤阀值TH，说明损伤存在，进入步骤(7)；若R_x均大于等于阀值TH，说明无损伤存在，继续进行下一个测试点的测试，进入步骤(5)；

图2为无损伤和损伤区域压电片的电导纳信号的实部曲线，图中虚线为测试获得的损伤区域压电片2的电导纳实部曲线，实线为测试获得的无损伤区域的压电片2的电导纳实部曲线，从图中可以看到，损伤区域的压电片的电导纳曲线相对于无损情况发生了偏移(峰值出现时的固有频率发生向左偏移)，且峰值有所变化，证明了损伤存在。图3为无损伤和损伤区域压电片的电导纳信号的实部的互相关系数值的柱状图，1号、2号和3号压电片反馈的电导纳的互相关系数柱状图，可以看出R_x2<R_x3<R_x1，可以说明损伤对距离较近的压电片2反馈的电导纳曲线的影响比较大，而对距离较远的压电片1和压电片3的影响较小，同时，由R_x3<R_x1，可以判断损伤位于压电片2和压电片3之间。

(7)、选取R_x值最小的压电片2和与其相临的压电片1和压电片3进行损伤水平位置的计算，将压电片2、压电片1和压电片3的电导纳实部互相关系数R_x2、R_x1和R_x3代入公式得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的水平距离x，x在坐标系中的位置见图4；其中，q＝1,2,3,4,5，R_xq为水平方向上第q个压电片的电导纳实部互相关系数；L_xq为损伤与压电片之间的距离；a和b为待定系数；p表示距离起标示作用；进入步骤(8)；

(8)、在步骤(3)确定的检测频段下，依次给接触片上竖直方向编号为1’、2’、3、4’和5’的压电片施加高频激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号，进入步骤(9)；

(9)、将接触片上竖直方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片产生的无损伤电导纳信号进行竖直方向的互相关系数R_y的计算，并找出R_y最小的压电片，进入步骤(10)；

(10)、选取R_y值最小的压电片3和其相临的压电片2’和压电片4’进行损伤水平位置的计算，将压电片3、压电片2’和压电片4’的电导纳实部互相关系数R_y3、R_y2和R_y4代入公式选得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的竖直距离y，y在坐标系中的位置见图4；其中，k＝1,2,3,4,5，R_yk为竖直方向上第k个压电片的电导纳实部互相关系数；L_yk为损伤与压电片之间的距离；a′和b′为待定系数；p表示距离起标示作用。

由步骤7)和10)获得的损伤在水平方向的位置x和竖直方向的位置y，可实现对损伤的定位。

Claims (3)

1.一种基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、将9个压电片组成的压电片阵列粘贴在圆形的接触片上，所述压电片阵列包括以接触片圆心为中心，在接触片的水平方向和竖直方向上各均匀设置的4个压电片以及设置在接触片圆心的压电片，进入步骤(2)；

(2)、将接触片依次附着于待测结构的无损伤区域的n个测试点，按从左到右、从上到下的顺序对接触片上的压电片阵列施加高频电压激励，并依次接收压电片阵列反馈的无损电导纳信号，进入步骤(3)；

(3)选取步骤(2)中接收到的无损电导纳信号的谐振幅值变化小于0.001S的频带作为检测频段，并确定无损电导纳信号的随机误差分布作为基准数据，计算每个压电片所得的n组无损电导纳中任意两组无损电导纳之间的互相关系数其中，N为采样点数；i为第i个采样点，i＝1,2,3…N；X_i和Y_i为任意两组测试的无损电导纳值；为X_i的平均值；为Y_i的平均值；为X_i的标准差和为Y_i的标准差；进入步骤(4)；

(4)、计算步骤(3)中获得的9组，每组为个的互相关系数R的均值μ和均方差σ，设定损伤阈值TH＝μ-3σ，进入步骤(5)；

(5)、用可去除粘结剂将接触片附着于待测结构的第j个测试点，在步骤(3)确定的检测频段下，按从左到右的顺序对接触片上水平方向的压电片施加高频电压激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号,其中j＝1,2,3…m，进入步骤(6)；

(6)、将接触片上水平方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片反馈的无损伤电导纳信号分别进行水平方向的互相关系数R_x的计算，若存在R_x小于损伤阈值TH，说明损伤存在，进入步骤(7)；若R_x均大于等于阈值TH，说明无损伤存在，继续进行下一个测试点的测试，进入步骤(5)；

(7)、选取R_x值最小的压电片和与其相临的两个压电片进行损伤水平位置的计算，将R_x值最小的压电片的电导纳实部互相关系数以及与其相临的两个压电片的电导纳实部互相关系数代入公式得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的水平距离x，其中，q＝1,2,3,4,5，R_xq为水平方向上第q个压电片的电导纳实部互相关系数；L_xq为损伤与压电片之间的距离；a和b为待定系数；p表示距离起标示作用；进入步骤(8)；

(8)、在步骤(3)确定的检测频段下，按从上到下的顺序对接触片上竖直方向的压电片阵列施加高频电压激励，并依次接受各压电片反馈的电导纳信号，进入步骤(9)；

(9)、将接触片上竖直方向的各个压电片的电导纳信号与步骤(3)获得的接触片上任意一个压电片产生的无损伤电导纳信号进行竖直方向的互相关系数R_y的计算，并找出R_y最小的压电片，进入步骤(10)；

(10)、选取R_y值最小的压电片和与其相临的两个压电片进行损伤垂直位置的计算，将R_y值最小的压电片的电导纳实部互相关系数以及与其相临的电导纳实部互相关系数代入公式得到三个方程，求解方程组得到损伤与压电片之间的竖直距离y，其中，k＝1,2,3,4,5，R_yk为竖直方向上第k个压电片的电导纳实部互相关系数；L_yk为损伤与压电片之间的距离；a′和b′为待定系数；p表示距离起标示作用。

2.根据权利要求1所述的基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法，其特征在于：所述的接触片的半径为110mm。

3.根据权利要求1所述的基于耦合机电阻抗的复合材料机翼损伤定位方法，其特征在于：所述的步骤(2)中和步骤(5)中，采用可去除粘结剂将接触片依次附着于待测结构的测试点上，所述可去除粘结剂为可去除高模量粘结剂。