CN107025343A - 一种面向复合材料结构的冲撞击监控与能评估技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向复合材料结构的冲撞击监控与能评估技术，属于复合材料结构智能检测与评估技术领域。该技术从冲击定位方面，运用新的两步冲击定位法，即：能量分布平整过滤法与基于TOF(波飞行时间)的四边中心定位法；从冲击能评估方面，基于像素网格优化的成像处理的多径融合能量分布评估方法被提出并实现了结构吸收能量分布状况的评估。本发明实现了全布局冲击定位与能评估；通过新两步冲击定位法，提高了冲击定位的精确度、时效性与可靠性；抑制了结构复杂性与复材各向异性对冲击定位及冲击能评估性能的影响，也提高了恶劣外部环境下的有效冲击定位与能评估，有利促进了该技术在复合材料结构智能检测与评估技术领域的广泛应用。

Description

一种面向复合材料结构的冲撞击监控与能评估技术

技术领域

本发明涉及一种面向复合材料结构的智能全布局冲撞击监控与能评估(IMEA)技术，属于复合材料结构智能检测与评估技术领域。

背景技术

轻型、高比强度、高比刚度的复合材料(如：碳纤维增强复材、玻璃纤维增强复材等)已被大量地运用在现代制造业(如：航空航天制造、汽车制造、舰船舶制造等行业)中。运用复合材料制作的各种关键结构件，以及由复合材料构建的各种大型及大跨式承载结构，都因其制造出的工程结构(件)自重小，同时，还能保证或增加其工程结构的强度及刚度而被广泛应用。例如：航空飞机结构大量采用先进复合材料，这被视为实现现代飞机机体减重及降低运营成本的有效途径。空中客车集团的A380和A350-XWB大型客机的碳纤维复合材料用量分别达到了结构总重的25％和53％，波音公司的B787大型客机的复合材料用量则为结构总重的50％，这恰恰是因为复合材料的质量轻、力学性能高于常规金属材料的优势。

但由于工程结构所处的外部环境的复杂性，导致其在服役期间可能会遭受到无法预测的、对结构的整体性与可靠性可能会造成危害的各种冲撞击事件，如：工程结构在复杂多变的外部环境中，经常会遭受到风砂石、冰雹、飞行动物的碰撞等引起的突发性非安全事件。这类危害性事件很大可能造成结构内部发生损伤，并影响结构的力学性能，损害其可靠性与完整性，削弱结构的承载强度，严重威胁复材结构后续的安全使用，与此同时，复合材料结构的损伤模式非常复杂，而且，其结构受载情况也比较复杂，如：其结构作为主承力结构，多数要受到弯、剪、扭等形式的复合载荷，同时，静载、动载、疲劳载荷俱全，有的部位还可能在过屈曲状态下受载。复合材料结构本身具有各向异性的特点，加之大部分复合材料结构都具有梁、樯、肋和螺钉孔等复杂的结构形式，使得其各向异性更为严重。当冲撞击力产生的应力波在复合材料结构中传播时，其传播特性就变得尤为复杂，结构上不同方向的相速度和群速度都会存在较大差异。

然，为了保障重要与关键的复合材料结构(如：航空航天飞行器结构、舰船大跨结构、汽车关键结构件等)的安全性与可靠性及其长服役寿命，并对突发性冲撞击事件给复材结构造成的可能危害执行有效的评估与预警，一种智能实时监控与评估管理技术是未来保障工程结构可靠与安全运行的必要条件，也是智能制造工业重点发展的一个关键工程技术领域。但，多数冲击评估方法的评估计算需要依赖于结构(或材料)本身的力学属性与参数，也就是说，当面对复杂结构配置(如：含加强筋或者不完整构件)时，由于其力学特性的不一致性、不均匀性，其材料的各向异性严重，加之在条件下，通过近似模型将无法精确评估冲撞击的各项指标并会导致评估误差很大，评估结果很不理想。

因此，基于现有技术的短板及现实工程应用的需要，本发明提出了基于传感器全布局的冲击监控与能评估IMEA技术，它是一种智能实时监控与评估管理技术，能克服现有冲击监测与评估方法只能局部定位的技术短板，从结构全跨布局执行在线实时冲撞击定位与冲击能评估。与此同时，IMEA技术提出并采用了两步冲撞击定位法，即：能量分布平整过滤法与基于波飞行时间(time-of-flight，TOF)的冲撞击定位方法。此外，IMEA技术还提出了一种新的多径融合能量分布评估方法执行未知冲撞击事件的冲击能评估。IMEA技术有效地抑制了结构复杂性与复材各向异性对冲撞击定位及冲击能评估性能的影响，也提高了在恶劣外部环境下的有效冲撞击定位与能评估。

发明内容

本发明提出的冲撞击监控与能评估(IMEA)技术是一种基于传感器全布局测量方法的冲撞击定位与冲击能评估技术。此项技术发明可适用于不同的复杂复合材料结构，各种冲击条件与冲击形式，及恶劣的工程环境条件。

对于这项复合材料结构的冲击监控与能评估技术，它能够对有破坏性的突发冲撞击事件执行有效的位置评估。然，为了评估多次冲撞击事件的位置信息和有效缩减对其的评估计算时间，一种高效的初始区域定位方法在本文中被提出与应用。这种初始区域定位方法被称作“能量分布平整过滤区域定位法”，它具有快速与可靠的计算特性，因为通过这种方法评估的结果不受任何测量噪声的干扰与影响。与此同时，能量分布平整过滤区域定位法是通过计算寻找离未知冲击位置最近的传感器，并由其辨识出的传感器组成对应的冲击识别区，进而这个区域被定义为受冲击区域。值得一提的是，能量分布平整过滤区域定位法可以执行单或多冲击事件的区域识别与分离提取，这样就为接下来锁定有效评估范围，判断未知冲击的位置坐标而提供可靠依据。

冲撞击监控与能评估技术实现精确冲撞击定位的目标，一般由以下两步执行完成：1)初始冲撞击区域定位；2)有效冲撞击坐标辨识。而在有效“冲撞击坐标辨识”中，一种精确定位方法被提出并执行冲击坐标评估：基于波飞行时间TOF的四边中心定位方法。

附图说明

图1复合材料结构的冲撞击定位与能量评估流程图。

图2一个未知冲撞击事件的区域识别与其初始位置评估结果图。

图3基于TOF的四边中心冲撞击定位法的示意图。

图4应力波在一层压复材结构中离散传播特性的相速度表现，其中：(a)波在0°方向上的传播相速度结果图；(b)波在90°方向上的传播相速度结果图。

图5应力波在不同传播偏向角的相速度变化分布图。

图6不连续的孔洞复材结构的未知冲撞击位置坐标评估，其中：(a)冲击C1的定位评估对比图；(b)冲击C2的定位评估对比图。

图7加筋复材结构的未知冲撞击位置坐标评估，其中：(a)冲击IM1在加筋区的定位评估对比图；(b)冲击IM2在无筋区的定位评估对比图。

图8冲击能在悬臂复材结构中的传播分布，其中：(a)冲击FR1发生时，结构能量分布图；(b)冲击FR2发生时，结构能量分布图。

具体实施方式

面向复合材料结构的智能全布局冲撞击监控与能评估(IMEA)技术，包含两个主要的评估计算功能模块：1)冲撞击定位评估计算模块；2)能量评估计算模块。本技术发明的详细计算评估流程，如图1所表示。

1.冲撞击位置评估，具体实施过程如下：

为了判定多次未知冲撞击事件的复杂位置信息，并大大缩减冲撞击定位评估时间，一种有效的初始位置评估方法被提出。

本发明提出这种能量分布平整过滤区域定位法，它可通过计算寻找离未知冲撞击位置最近的传感器，并由其辨识出的传感器组成对应的冲击识别区域。然，冲撞击定位方法能够执行一个或多个传感器阵列区域提取，并在冲撞击识别区域内执行进一步的冲撞击精确位置修正。具体步骤如下：

(1)冲撞击区域辨识与初始位置评估

通过计算比较选定时间窗口的传感器输出信号的能量谱，发生冲撞击事件的位置区域能通过多传感器阵列所围实际区域来确定，相应的冲击能也可通过传感器输出能进行计算判定，如公式(1)：

其中，E_i是指一个传感器选定时间窗口的能量谱；s_exp是指选定传感器的输出信号数据；t₀是指选定时间窗口的初始时间点；t₁是指选定时间窗口的终结时间点。对于时间窗口的选择，它主要取决于被选择的传感器信号能量谱，从而以便于覆盖冲撞击事件的传感器阵列能具有较高的能量，反之，没有覆盖到冲撞击的传感器阵列则接收到相对小的能量，甚者远离冲击的传感器接收到的能量则逐级递减至零。

因此，当冲撞击事件发生时，分布在被监测结构的每个传感器所接收的能量可以通过公式(6.1)来计算获得。也就是说，假设当一个复合材料承载结构遭受到意外撞击时，根据与撞击位置的远近程度，每个传感器都能接收到相应程度的能量并能通过计算获取其能量值。于是，基于最小曲率的能量分布平整过滤法被提出并由可靠罗斯平整过滤(RobustLoess Smoothing，RLS)方法衍生而来，而被平整过滤的能量分布也可通过公式(2)在二维(x，y)坐标下表达。

E_i＝E_i(x_i，y_i)i＝1，2，… (2)

然而，通过平整过滤能量分布，未知冲撞击位置信息就可利用找寻能量分布中心的途径去初步评估与判定出来。对于一个二维的结构件，当未知撞击力作用在结构上时，其作用位置可以通过计算求解冲击能量分布中心坐标来获得，正如公式(3)：

其中，x_c是指对应x方向上的中心坐标，y_c是指对应y方向上的中心坐标。

在冲撞击实验验证中，一个悬臂式结构的复合材料承载结构被使用去验证提出的能量分布平整过滤区域定位法是一种可靠而行之有效的定位方法。此定位法能够在复杂振动环境干扰下，依然有效地辨识与隔离冲撞击区域，并进而对未知冲撞击事件执行初步位置信息评估。图2展示了运用能量分布平整过滤区域定位法去实现冲撞击区域识别及其初始位置评估结果。

(2)冲撞击位置坐标辨识与评估

为了能够准确地获得未知冲撞击作用在复合材料承载结构的位置坐标，一种冲撞击精确定位方法——基于TOF的四边中心定位法在本发明中被提出。

TOF是一个行之有效的计算检索参量，它也是一种能有效反映应力波在复材结构中传播特性的特征参量。因此，TOF经常被运用在冲撞击监测识别与评估应用中。然而，对于冲撞击位置与分布式传感器位置之间的TOF，它主要由应力波在复材结构中传播行为所决定。

为了获得精准的TOF数据，良好的时间分辨率是十分必要的，也就是说，高时间分辨率是有助于提取准确的TOF信息。由冲撞击力产生的应力波在复材结构中传播的特性除了受其结构的复合材料属性影响外，还会受到冲撞击力条件的影响，如：撞击速度，撞击持续时间等条件。于是，冲撞击力的时域信号与辨识区传感器输出响应的时域信号之间的计算时间误差就给出了相应的应力波传播相应距离的时长。

通常情况下，被识别出的冲撞击区是由四个传感器位置点为顶点的四边形区域所组成。然，假设应力波传播的初始角θ_i，根据4个传感器四点方向的初始角θ_i(i＝1，2，3，4)，对应于识别区的每个传感器所评估的未知冲撞击位置可通过公式(6.4)计算得出，随之，由4个传感器所计算得出的4个冲撞击位置点就组成了一个新的四边形区域。那么，为了获得精确的冲撞击位置坐标，一个最小化虚四边形面积的处理过程需要去执行，正如图3所示。

通过每个传感器输出响应信号所求得的冲撞击位置，可由基本的求解距离公式(4)计算表达。

L_i＝C_p(θ_i)×ΔT_i i＝1，2，3，4 (4)

其中，L_i是指冲撞击识别区中某一传感器与对应冲撞击评估位置点间的线性距离；C_p(θ_i)是指冲撞击力作用于复材结构上所产生应力波的相速度，如图4所示0°与90°两种典型的波传播偏向角的相速度的离散特性。如图5展示了冲撞击力作用在一复合材料承载结构产生的应力波从冲撞击源点到传感器S_i的不同传播偏向角的相速度变化分布情况。该应力波的相速度求解是通过编译Matlab代码程序来实现的；ΔT_i是指TOF数据，也就是，冲撞击力作用时间点与某传感器响应到达时间的时差值，如公式(5)：

ΔT_i＝|t_a-t_f| (5)

其中，t_a是指某传感器响应到达时间；t_f是指重塑的冲撞击力作用的时间点。

当获得最小四边形面积时，对于未知冲撞击位置的精确评估，它能够通过四边形中心定位方法(公式(6)与(7))去计算实现。图6和7分别展示了两种不同的复杂复材结构的冲撞击定位评估结果。通过上述定位评估结果，可以直观地证实了本发明提出的两步冲击定位方法满足了对定位评估的准确性、可靠性及时效性三性的需求。

其中，M是指最小化四边形的面积，其定义为：

其中，x_i和y_i分别指最小化四边形顶点V_i(i＝1，2，3，4)在二维坐标系(x，y)中的坐标值。

由不同4个传感器评估出的冲撞击坐标点所组成的四边形在经过最小化处理过程以及其中心源点求解的整个定位计算评估过程被展示在图3当中。这里需要强调的是，对于以四边传感网络形式所铺设覆盖的结构都可以采用此定位方法来精确评估未知冲撞击事件的位置信息。

该冲撞击定位方法适用于任何复杂复合材料结构布设矩形传感器网络的情况。

2.冲击能量评估采用了吸收能量分布评估法。意外的冲撞击对于复合材料结构所产生的影响及其结构受冲撞击所产生的状态变化，通过冲击能评估都可详细获知其状况。该冲击能评估方法具体介绍如下：

吸收能量分布评估方法能提供更佳的复材结构健康监控与评估的解决方案，同时，此评估方法能够有效揭示与分析评估由不可预测的冲撞击事件导致复合材料结构的可能性内部损伤等棘手问题，如：1)当意外冲撞击作用于某一复合材料结构上时，其结构所发生的变化；2)其结构状态的实时变化情况；3)对其结构所产生的影响程度等。

由于冲撞击产生的冲击能，吸收能量分布(AED)评估方法利用结构响应输出数据来分析和评估其结构所吸收的能量分布状况。AED评估方法提出了一种新的多径融合能量分布评估方法，它结合了能量分布平整过滤方法与基于像素网格优化的成像处理方法来实现结构吸收能量分布状况的评估。通过吸收能量分布评估法，可对复合材料结构由于冲撞击所吸收的冲击能量分布的不同，来执行实时结构状态监控与评估。此外，AED评估方法还可利用由结构响应输出数据来评估的吸收能量分布结果，去分析判定结构状态的实时表现，从而，确定由任意冲撞击产生的相应有限元结构分析模型(FEM)的阶数。结合FEM的仿真结果，此方法可以为复合材料结构的优化设计提供有效的依据。

因此，一个悬臂式复合材料结构被用来演示证明此吸收能量分布方法的上述综合性能指标的有效性与可靠性，如图8所示。当两个随机冲击事件作用在此复合材料结构的FR1和FR2位置时，对比于其它未受冲击的结构区域，相应的被识别出的冲击区域所吸收的能量则呈现出很明显的较高能值。凭借这种计算评估优势，此吸收能量分布法也正为冲撞击区域辨识提供了强有力的分析判别依据。与此同时，由冲撞击力引起的结构剪切效应现象也可被直观地展现在三维的能量分布评估效果图中。正如三维能量分布评估效果图8所示，由于作用在FR1和FR2位置的冲撞击力并不大，所以，其产生的冲击能量也会不高，因此，这两个随机冲撞击事件给这个悬臂式复合材料结构仅仅造成并产生了一阶模态的结构动态特征。

对于AED评估方法来说，其更重要的是：它可用于确定由于外部事物对复材结构的有效作用，所产生的结构动态模型阶的情况，并可提供直观的可视化。借助这种优势，AED评估方法可为复合材料结构设计工程师提供更方便、快捷及可靠的结构优化设计平台。此外，该冲击能量评估方法更易于执行由于类似冲撞击事件的外部物体给复合材料结构带来的动态变化的监测与评估，并实时分析评估与跟踪结构的能量分布，并成为复合材料结构损伤预警的基础。

Claims (5)

1.一种面向复合材料结构的智能全布局冲撞击监控与能评估技术，其特征在于，包括如下步骤：

(1)冲撞击位置评估；对于冲撞击定位评估，一般由以下两步执行完成：①冲撞击区域辨识与初始位置评估；②准确的冲撞击坐标辨识与评估；

(2)冲击能量评估；此评估过程采用了吸收能量分布(AED)评估法，它利用结构响应输出数据来分析和评估结构所吸收的能量分布状况；然AED评估方法是一种多径融合能量分布评估方法，它结合了能量分布平整过滤方法与基于像素网格优化的成像处理方法去实现冲击能量评估，以及通过结构吸收能量分布结果，去分析判定结构状态的实时表现，从而，确定由任意冲撞击产生的相应有限元结构分析模型FEM的阶数。

2.根据权利要求1所述的面向复合材料结构的智能全布局冲撞击监控与能评估技术，其特征在于，步骤(1)中所述的冲撞击位置评估技术的实现是由两步冲撞击定位评估方法来执行的，其具体实现过程如下：

步骤(一)：冲撞击区域辨识与初始位置评估；在此初始评估过程中，能量分布平整过滤区域定位法被提出和使用；此定位方法不仅能在正常情况下实现区域识别及其初始位置评估，而且，在复杂振动环境干扰下，依然能有效进行区域辨识并隔离冲撞击区域，进而对未知冲撞击事件执行初步位置信息评估；此外，能量分布平整过滤区域定位法运用结构响应输出数据进行区域辨识与初始位置评估，其中，通过结构吸收能量分布的平整过滤，由可靠罗斯平整过滤方法衍生而来的基于最小曲率的能量分布平整过滤方法被提出来实现初始位置评估；

步骤(二)：准确的冲撞击坐标辨识与评估；在精确位置评估过程中，一种基于波飞行时间TOF四边形中心冲击定位方法被提出与使用，其次，利用步骤(一)评估所获得的初始位置信息，可初步确定出冲击点向四周传感器位置点传播的偏向角θi，借助传播偏向角θi，使用距离求解公式得出初始识别四边形区域，并最小化此四边形区域，最后，求解其中心位置，最终实现未知冲撞击位置坐标信息的获悉。

3.根据权利要求2所述的两步冲撞击定位评估方法，其特征在于，步骤(一)中所述的冲撞击区域辨识与初始位置评估，使用了能量分布平整过滤区域定位法，具体实现细节如下：

第一步：计算比较选定时间窗口的传感器输出信号的能量谱，通过多传感器阵列所围实际区域确定发生冲撞击事件的位置，并通过传感器输出可计算相应的能量值分布；

第二步：通过由可靠罗斯平整(Robust Loess Smoothing，RLS)过滤方法衍生而来的基于最小曲率的能量分布平整过滤法，计算得到分布在结构上的平整的能量值；

第三步：找寻平整过滤能量分布的中心，便可初步评估与判定未知冲撞击位置信息。

4.根据权利要求2所述的两步冲撞击定位评估方法，其特征在于，步骤(二)中所述的准确的冲撞击坐标辨识与评估，使用基于TOF四边形中心冲击定位方法实现了冲撞击位置坐标的精确评估，其具体实现过程如下：

步骤一：利用区域辨识与初始位置评估的结果，初步确定未知冲击点与四周就近传感器位置点之间应力波传播的偏向角(θ_i，i＝1，2，3，4)，有了4个偏向角θ_i的信息，就可以通过传播角相速度变化分布图去获取对应方向上的传播速度，然运用经典的距离求解公式就可计算在4个方向上的反向传播距离并得到相应的终点坐标信息，这4个终点可构成一个识别四边形区域的顶点；

步骤二：TOF是冲撞击力作用时间点与某传感器响应到达时间的时差值，它可通过结构响应输出时域信号或其分析的时频谱来获得；当通过每个传感器输出响应信号求得评估的冲撞击位置点，通过最小化这四边形区域，也就是获得最小四边形面积时，使用四边形中心定位方法计算获取精确的未知冲击位置坐标：

其中，M是指最小化四边形的面积，其定义为：

其中，x_i和y_i分别指最小化四边形顶点V_i(i＝1，2，3，4)在二维坐标系(x，y)中的坐标值；

对于识别四边形区域最小化准则是，最小化进程，直至四边形区域不能再覆盖初始评估位置，停止并输出最小化的四边形区域面积结果；

对于以四边传感网络形式所铺设覆盖的结构(如：复合材料结构)都可以采用此定位方法来实现精确评估未知冲撞击事件的位置信息。

5.根据权利要求1所述的面向复合材料结构的智能全布局冲撞击监控与能评估技术，其特征在于，步骤(2)中所述的冲击能量评估的具体实现过程如下：

首先，对复合材料结构的冲撞击能量评估采用了一种新提出的多径融合吸收能量分布AED评估方法；

其次，AED方法结合了能量分布平整过滤方法与基于像素网格优化的成像处理方法的优势，来实现结构吸收能量分布状况的评估；此外，还可根据由于冲撞击能的传递效应，在复合材料结构上所吸收的能量分布的不同，来执行实时结构状态监控与评估；AED评估方法还可利用由结构响应输出数据来评估的吸收能量分布结果，并分析判定结构状态的实时表现，从而确定由任意冲撞击产生的相应有限元结构动态分析模型的阶数；AED评估方法可直观地呈现结构的三维能量分布效果图，这样，它便易于执行由于类似冲撞击事件的外部物体给复合材料结构带来的动态变化的监测与评估，并实时分析评估与跟踪结构的能量分布，并成为复合材料结构损伤预警的基础。