CN105784936B - 一种复合材料板损伤的快速检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种复合材料板损伤的快速检测方法及系统，包括以下步骤：对复合材料板进行模态测试，获取模态振型数据；计算模态振型数据的二维广义局部熵；判断二维广义局部熵是否存在异常数据；根据前步的判断结果判断复合材料板是否存在损伤。基于所述方法，实现了一种复合材料板损伤的快速检测，用于方便方法的应用。本公开方法对具有运算实施性好、简单易行、通用性强的特点，可清晰地对损伤形状及位置进行辨识，适合一般复合材料板结构损伤的快速无损检测。
Description
技术领域
本公开涉及结构动力学无损检测技术，具体涉及一种复合材料板快速损伤检测方法及系统。
背景技术
科技水平的提升导致了复合材料应用的广泛化和结构的大型化，并逐渐由非承力部件材料变为主要承力部件材料。加之复合材料力学性能和行为复杂，且由多种材料组合而成，较之于传统金属或合金材料而言，更容易在复杂的环境因素作用下发生不易辨识的材料内部损伤，包括裂纹萌生、层间分层、纤维断裂及基体开裂等多种细观损伤形式，最终发展为可见的宏观损伤，直接威胁着整体结构的安全和正常服役。
发明内容
针对上述部分问题，本公开提供了一种复合材料板快速损伤检测方法及系统。
一种复合材料板快速损伤检测方法，所述方法包括下述步骤：
S100、对复合材料板进行模态测试，获取模态振型数据，进而获得模态振型曲面；
S200、计算模态振型曲面上模态振型数据点的二维广义局部熵；
S300、判断二维广义局部熵幅值是否存在异常数据；
S400、若S300存在异常数据，则判断复合材料板存在损伤；否则判定复合材料板健康；
所述二维广义局部熵表示如下：
式中：
p(xi，yj)表示由模态振型估计的在测点(xi，yj)处的熵值；
N＝2Nt+1，Nt为以测点(xi，yj)为中心，左右两侧影响测点(xi，yj)的单侧测点数目。
本公开方法对具有运算实施性好、简单易行、通用性强的特点，可清晰地对损伤形状及位置进行辨识，适合一般复合材料板结构损伤的快速无损检测。
基于所述方法，实现了一种复合材料板损伤的快速检测，以方便方法的应用。
一种复合材料板快速损伤检测系统，所述系统包括下述模块：
M100、模态振型数据获取模块：对复合材料板进行模态测试，获取模态振型数据，进而获得模态振型曲面；并将模态振型曲面输出给M200；
M200、计算模块：计算模态振型曲面上模态振型数据点的二维广义局部熵，并将其输出给M300；
M300、异常数据判断模块：判断二维广义局部熵是否存在异常数据，并将判断结果输出给M400；
M400、损伤判断模块：若判断结果为存在异常数据，则判断复合材料板存在损伤；否则判定复合材料板健康；
所述二维广义局部熵表示如下：
式中：
p(xi，yj)表示由模态振型估计的在测点(xi，yj)处的熵值；
N＝2Nt+1，Nt为以测点(xi，yj)为中心，左右两侧影响测点(xi，yj)的单侧测点数目。
附图说明
图1为本公开的一个实施例中的测点布置方案示意图；
图2为本公开的一个实施例中测得的模态振型数据；
图3为本公开的一个实施例中由模态振型得到的二维广义局部熵图；
图4为图3的统计分布，其中两条竖线代表由3σ判据确定的异常值阈值；
图5为本公开的一个实施例中非异常点置零后得到的二维广义局部熵损伤指示图。
具体实施方式
在一个实施例中，提供了一种复合材料板快速损伤检测方法，所述方法包括下述步骤：
S100、对复合材料板进行模态测试，获取模态振型数据，进而获得模态振型曲面；
S200、计算模态振型曲面上模态振型数据点的二维广义局部熵；
S300、判断二维广义局部熵是否存在异常数据；
S400、若S300存在异常数据，则判断复合材料板存在损伤；否则判定复合材料板健康；
所述二维广义局部熵表示如下：
式中：
p(xi，yi)表示由模态振型估计的在测点(xi，yj)处的熵值；
N＝2Nt+1，Nt为以测点(xi，yj)为中心，左右两侧影响测点(xi，yj)的单侧测点数目。
这个实施例具有运算实施性好、简单易行、通用性强的特点，适合一般复合材料板结构损伤的快速无损检测。在这个实施例中提供了二维广义局部熵的定义。
在一个实施例中考虑测点左右相邻的两个测点影响，则选取N＝3。在另一个实施例中，需考虑测点左右相邻的四个测点影响，则选取N＝5。在其它实施例中，以此类推。N值大可以有效抑制测量噪声，但较大的N值选取会导致模态测试实验中测点数变多，应根据具体情况进行选取，本实施例中，优选N＝3，以减少需要的测点数据。
优选的，所述异常数据为超过3σ准则范围的二维广义局部熵幅值数据。以各点二维广义局部熵图数值为数据进行统计分析，确定数据分布的均值和方差，使用标准3σ判据确定异常点：二维广义局部熵幅值超过3σ范围的，视为异常点，反之为非异常点。
优选的，为清晰辨识损伤位置，所述S400进一步包括下述步骤：
S401、确定异常数据所在的位置为损伤位置。
优选的，为清晰辨识损伤形状，所述S401之后还包括判定损伤类型；所述判定损伤类型包括下述步骤：
S402、绘制二维广义局部熵图；
S403、将S300中的非异常数据在二维广义局部熵图中置零，得到二维广义局部熵损伤指示图；通过二维广义局部熵损伤指示图判断损伤类型。
在这里，若所述二维广义局部熵损伤指示图采用以测点物理位置为xy坐标，以二维广义局部熵值为z坐标，使复合材料板的损伤情况更为直观。在将非异常数据置零后，不仅可以方便看出损伤位置，而且可方便损伤类型的辨识，使损伤更为方便简单。
优选的，为达到能够检测到损伤的目的，所述模态测试中测点的设置数量为n×n，其中n至少为该阶模态振型节线数目的4倍；对于没有节线的或节线为1条的振型，n至少为8。比如振型由3条节线，就应该12×12，n越大越好，定位误差为L/(n-1)，L表示板的边长。
在一个实施例中，提供所述p(xi，yi)的表达式以进一步方便计算二维广义局部熵：
其中：
d(xi，yj)表示测点(xi，yj)的模态振型幅值；
gr(xi，yj)，gc(xi，yj)分别表示相应物理位置对应的行算子和列算子，矩阵D由复合材料板各测点模态振型幅值组成；
gr(xi，yj)的表达式如下：
gc(xi，yj)的表达式如下：
式中：
x1，y1分别表示被测复合材料板测点的最小x和y坐标值；
xL，yL分别表示被测复合材料板测点的最大x和y坐标值；
矩阵D的表达式如下：
将上述p(xi，yj)代入基础实施例中的二维广义局部熵表达式：
可得用于复合材料板损伤定位的二维广义局部熵表达式：
下面实施例结合附图1-5对本公开方法进行说明。
在这个实施例中，提供了具体的测试系统，为标准的锤击模态测试系统，其配置包括通用便携式电脑一台，国产亿恒公司AVANTMT-7008数据采集仪一套，以及国产东华力锤与PCB-300A12型单轴加速度传感器各一只，有效测试频率域10-10000Hz，采样频率设置为10240Hz，因此分析频率约为5120Hz以下，所选择传感器衰减可满足测试分析要求。
在这个实施例中，测试测点设置参照图1示意图，在尺寸为0.5m的正方形复合材料板上均布64个测点，逐一使用力锤与加速度传感器进行模态测试。待本测点测试完成后，移至下一测点进行测试。每个测点使用力锤敲击10次，做线性平均以降低噪声影响。所采集到的信号为力锤激励信号时间序列及作为响应信号时间序列的加速度信号。需要指出，本特定实施例以正方形复合材料板为例，但本领域技术人员应当理解，对于其他形状复合材料板，本公开也同样适用。
通过模态测试，获取的振型数据，形成对应的模态振型曲面，如图2所示。利用前述二维广义局部熵公式，计算各阶模态振型曲线上各模态振型数据点d(xi，yj)的二维广义局部熵，得到模态振型的二维广义局部熵损伤指示图。在本实施例中，选取N＝3作为数据长度。
以各点二维广义局部熵图数值为数据进行统计分析，如图4所示，确定数据分布的均值和方差，使用标准3σ判据确定异常点：二维广义局部熵幅值超过3σ范围的，视为异常点，反之为非异常点，可见图4中存在幅值超过异常点阈值的点存在，对非异常点二维广义局部熵幅值进行置零，得到二维广义局部熵损伤指示图，如图5所示，可见在复合材料板上存在两处条状损伤。本方法的准确性可经后期无损检测进行验证。
在一个实施例中，基于所述方法，实现了一种复合材料板损伤的快速检测，用于方便方法的应用。一种复合材料板快速损伤检测系统，其特征在于，所述系统包括下述模块：
M100、模态振型数据获取模块：对复合材料板进行模态测试，获取模态振型数据，进而获得模态振型曲面；并将模态振型曲面输出给M200；
M200、计算模块：计算模态振型曲面上模态振型数据点的二维广义局部熵，并将其输出给M300；
M300、异常数据判断模块：判断二维广义局部熵是否存在异常数据，并将判断结果输出给M400；
M400、损伤判断模块：若判断结果为存在异常数据，则判断复合材料板存在损伤；否则判定复合材料板健康；
所述二维广义局部熵表示如下：
式中：
p(xi，yj)表示由模态振型估计的在测点(xi，yj)处的熵值；
N＝2Nt+1，Nt为以测点(xi，yj)为中心，左右两侧影响测点(xi，yj)的单侧测点数目。
通过各个模块的协作工作，本系统可以适合一般复合材料板结构损伤的快速无损检测。对于在在这个实施例中提供了二维广义局部熵的定义，在相应方法部分已经阐述，在此不再赘述。
优选的，所述异常数据为超过3σ准则范围的二维广义局部熵幅值数据。以各点二维广义局部熵图数值为数据进行统计分析，确定数据分布的均值和方差，使用标准3σ判据确定异常点：二维广义局部熵幅值超过3σ范围的，视为异常点，反之为非异常点。
优选的，为清晰辨识损伤位置，所述M400进一步包括下述单元：
U401、位置确定单元：确定异常数据所在的位置为损伤位置。
优选的，为清晰辨识损伤形状，所述M400进一步包括下述单元：
U402、二维广义局部熵图绘制单元：绘制二维广义局部熵图；
U403、损伤指示图绘制单元：将M300中的非异常数据在二维广义局部熵图中置零，得到二维广义局部熵损伤指示图；通过二维广义局部熵损伤指示图判断损伤类型。
在这里，若所述二维广义局部熵损伤指示图采用以测点物理位置为xy坐标，以二维广义局部熵值为z坐标，使复合材料板的损伤情况更为直观。在将非异常数据置零后，不仅可以方便看出损伤位置，而且可方便损伤类型的辨识，使损伤更为方便简单。
优选的，为达到能够检测到损伤的目的，所述模态测试中测点的设置数量为n×n，其中n至少为该阶模态振型节线数目的4倍；对于没有节线的或节线为1条的模态振型，n至少为8。
在一个实施例中，提供所述p(xi，yi)的表达式以进一步方便计算二维广义局部熵：
其中：
d(xi，yj)表示测点(xi，yj)的模态振型幅值；
gr(xi，yj)，gc(xi，yj)分别表示相应物理位置对应的行算子和列算子，矩阵D由复合材料板各测点模态振型幅值组成；
gr(xi，yj)的表达式如下：
gc(xi，yj)的表达式如下：
式中：
x1，y1分别表示被测复合材料板测点的最小x和y坐标值；
xL，yL分别表示被测复合材料板测点的最大x和y坐标值；
矩阵D的表达式如下：
综上，本公开具有以下特点：
(1)以熵理论为基础，形成了一种针对复合材料板结构的快速动力学损伤检测方法；
(2)利用二维广义局部熵可以清晰地对损伤形状及位置进行辨识；
(3)本公开运算实施性好，简单易行，实验方案通用性强，便于现场指导复合材料板动力学无损检测。
以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。
Claims (10)
1.一种复合材料板损伤的快速检测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
S100、对复合材料板进行模态测试，获取模态振型数据，进而获得模态振型曲面；
S200、计算模态振型曲面上模态振型数据点的二维广义局部熵；
S300、判断二维广义局部熵幅值是否存在异常数据；
S400、若S300存在异常数据，则判定复合材料板存在损伤；否则判定复合材料板健康；
所述二维广义局部熵表示如下：
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式中：
p(xi，yj)表示由模态振型估计的在测点(xi，yj)处的熵值；
N＝2Nt+1，Nt为以测点(xi，yj)为中心，左右两侧影响测点(xi，yj)的单侧测点数目。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述异常数据为超过3σ准则范围的二维广义局部熵幅值数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述S400进一步包括下述步骤：
S401、确定异常数据所在的位置为损伤位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S401之后还包括判定损伤类型；所述判定损伤类型包括下述步骤：
S402、绘制二维广义局部熵图；
S403、将S300中的非异常数据在二维广义局部熵图中置零，得到二维广义局部熵损伤指示图；通过二维广义局部熵损伤指示图判断损伤类型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模态测试中测点的设置数量为n×n，其中n至少为该阶模态振型节线数目的4倍；对于没有节线的或节线为1条的振型，n至少为8。
6.一种复合材料板损伤的快速检测系统，其特征在于，所述系统包括下述模块：
M100、模态振型数据获取模块：对复合材料板进行模态测试，获取模态振型数据，进而获得模态振型曲面；并将模态振型曲面输出给M200；
M200、计算模块：计算模态振型曲面上模态振型数据点的二维广义局部熵，并将其输出给M300；
M300、异常数据判断模块：判断二维广义局部熵是否存在异常数据，并将判断结果输出给M400；
M400、损伤判断模块：若判断结果为存在异常数据，则判断复合材料板存在损伤；否则判定复合材料板健康；
所述二维广义局部熵表示如下：
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式中：
p(xi，yj)表示由模态振型估计的在测点(xi，yj)处的熵值；
N＝2Nt+1，Nt为以测点(xi，yj)为中心，左右两侧影响测点(xi，yi)的单侧测点数目。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：
所述异常数据为超过3σ准则范围的二维广义局部熵幅值数据。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述M400进一步包括下述单元：
U401、位置确定单元：确定异常数据所在的位置为损伤位置。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述M400进一步包括下述单元：
U402、二维广义局部熵图绘制单元：绘制二维广义局部熵图；
U403、损伤指示图绘制单元：将M300中的非异常数据在二维广义局部熵图中置零，得到二维广义局部熵损伤指示图；通过二维广义局部熵损伤指示图判断损伤类型。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述模态测试中测点的设置数量为n×n，其中n至少为该阶模态振型节线数目的4倍；对于没有节线的或节线为1条的模态振型，n至少为8。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |