CN108427014B - 一种对复合材料层合板的撞击位置识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对复合材料层合板的撞击位置识别方法，属于飞行器技术领域。其中，该方法包括：标定步骤：在复合材料层合板上设定模拟撞击点的位置和多个传感器；在模拟撞击点的坐标的位置产生弯曲波；传感器在感应到弯曲波时向控制器发送响应信号；控制器基于响应信号演算复合材料层合板的材料参数；定位步骤：基于标定步骤得到的材料参数，演算复合材料层合板上的实际撞击点的位置。本发明使用剪切层合板理论模型描述不同方向的波速变化情况，克服了波速各向异性的难点。在被监测结构实际应用前，或根据需要定期地对模型的材料参数进行标定，以确保撞击监测的准确性。同时，该方法使用了多频率定位技术，克服了某些频率下波达时间测量不准确造成撞击定位误差较大的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，特别涉及对复合材料层合板的撞击位置识别方法。
背景技术
复合材料层合板在受到低速外部撞击时，内部的层与层之间会产生脱粘损伤，而外部表面则无明显凹痕。所以，对复合材料层合板结构的实时撞击监测，是保证其完整性并提高其安全性的重要手段。
现有技术中,撞击监测方法主要可以分为两类：基于波达时间的方法和基于样本的方法。其中，基于波达时间的方法的原理是使用压电陶瓷传感器来接收结构撞击响应信号，通过提取波达时间确定实际撞击点位置。由于各向同性材料中弹性波沿各个方向的波速相同，因此，基于波达时间的方法大多应用在金属平板结构中，对于各向异性的复合材料层合板结构，波速随着传播方向的不同而变化,使得该方法无法应用在复合材料层合板的撞击监测中。
基于样本的方法的原理是通过建立神经网络等机器学习模型，实现对未知撞击事件的定位。但是学习模型的准确性和大量样本的获取限制了这类方法在实际结构上的应用。
因此，现有技术中亟需一种更加精确的、简便易行的能够实现对复合材料层合板的撞击监测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种对复合材料层合板的撞击位置识别方法，该方法基于剪切层合板理论的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，使用群速度理论模型描述不同方向的波速变化情况，克服了波速各向异性的难点。在被监测结构实际应用前，或根据需要定期地对模型的材料参数进行标定，以确保撞击监测的准确性。同时，该方法使用了多频率定位技术，克服了采用单频率定位技术的过程中由于某些频率下波达时间测量不准确造成撞击定位误差较大的缺陷。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种对复合材料层合板的撞击位置识别方法，包括以下步骤：标定步骤：在复合材料层合板上设定模拟撞击点的位置和多个传感器；在所述模拟撞击点的坐标的位置产生弯曲波；传感器在感应到所述弯曲波时向控制器发送响应信号；控制器基于所述响应信号演算所述复合材料层合板的材料参数；定位步骤：基于标定步骤得到的材料参数以及实际撞击产生的弯曲波信号，演算复合材料层合板上的实际撞击点的位置。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，所述在复合材料层合板上设定模拟撞击点的位置和多个传感器，包括：在待检测的复合材料层合板上建立坐标轴；其中，x轴为复合材料层合板的纤维方向；y轴为与复合材料层合板的纤维方向垂直的方向；在所述复合材料层合板上设置Np个传感器，并设定模拟撞击点；其中，第i个传感器的位置坐标为(xi,yi)(i＝1-Np)，模拟撞击点的位置坐标为(x0,y0)。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，在所述模拟撞击点的位置进行断铅实验，以在该位置产生弯曲波。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，所述复合材料层合板的材料参数包括：剪切刚度和弯曲刚度。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，所述控制器基于所述响应信号演算所述复合材料层合板的材料参数，包括：控制器基于接收的所述传感器的响应信号进行计算，得到弯曲波到达第i个传感器和第1个传感器的波达时间差；控制器计算弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度；控制器基于所述波达时间差、模拟撞击点的坐标、传感器的坐标、弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向、以及弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度进行计算，得到所述复合材料层合板的材料参数。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，控制器基于接收的所述传感器的响应信号以及预设的理论模型进行演算，得到弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度；所述预设的群速度理论模型包括以下式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)；
M1＝diag(I,I,h) 式(3)
其中，cg为弯曲波在所述复合材料层合板上传播时的群速度向量；
h表示复合材料层合板的厚度；I表示复合材料层合板的截面惯性矩，且I＝h3/12；α表示等效剪切修正系数的平方，且α＝5/6；Aii(i＝4,5)表示复合材料层合板的等效剪切刚度；Dij(i,j＝1-6)表示复合材料层合板的等效弯曲刚度；ω表示弯曲波的角频率；k表示弯曲波的波数大小；θ表示弯曲波的传播方向与x轴的夹角；R表示某一模态下的位移向量；RH表示R的共轭转置；ek表示弯曲波传播方向上的单位向量；eθ表示垂直于弯曲波传播方向的单位向量。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，当弯曲波在所述复合材料层合板上沿x方向、y方向传播时，所述预设的群速度理论模型简化为式(8)和式(9)：
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，控制器将所述波达时间差、模拟撞击点的坐标、传感器的坐标、弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向、以及弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度带入预设的目标函数，并采用遗传算法对所述目标函数进行求解，得到所述复合材料层合板的材料参数；
其中，所述目标函数为：
fj表示弯曲波的频率；Nf表示频率点的个数；
表示波达时间差；
(x0,y0)表示模拟撞击点的坐标；(xi,yi)(i＝1-Np)表示传感器的坐标；
θi表示弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向；
cg表示弯曲波在复合材料层合板上传播的群速度大小。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，所述定位步骤中基于标定步骤得到的材料参数，演算复合材料层合板上实际撞击点的位置，包括：将经过所述标定步骤得到的复合材料层合板的材料参数以及实际撞击产生的弯曲波波达时间差代入所述目标函数，并采用遗传算法对所述目标函数进行求解，得到实际撞击点的位置坐标(x0,y0)。
进一步，所述的对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其中，所述控制器接收到所述传感器发送的响应信号后，使用小波变换对信号进行处理，从而得到不同频率下弯曲波的到达时间；其中，所述不同频率弯曲波的频率在10kHz—150kHz之间。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明使用剪切层合板模型对各个方向的群速度进行确定，只需测量两个点的撞击信号，即可对剪切层合板模型中的材料参数进行识别。避免了实际中材料参数获取的困难，或直接测量各个方向波速的麻烦，操作简单，无需过多先验信息。
(2)采用了基于多频率下波达时间的定位技术，而没有使用现有技术的单频率下波达时间，避免了频率选择的困难，以及某些频率下波达时间测量不准确造成撞击定位误差较大的缺陷，有效地降低了撞击定位的误差。
附图说明
图1是本发明提供的对复合材料层合板的撞击位置识别方法第一实施例的流程图；
图2是标定步骤的流程图；
图3是本发明提供的对复合材料层合板的撞击位置识别方法第二实施例的流程图；
图4传感器在复合材料层合板上的布置位置示意图；
图5是对复合材料层合板上的模拟撞击点的检测定位结果示意图；
图5a是对复合材料层合板上的模拟撞击点的检测定位结果示意图；
图5b图5a的方框区域的局部放大图；
图6是在采用单个频率和多个频率的检测结果的对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明提供的对复合材料层合板的撞击位置识别方法第一实施例的流程图。
如图1所示，对复合材料层合板的撞击位置识别方法，包括以下两个步骤：
S1标定步骤：在复合材料层合板上设置模拟撞击点，基于剪切层合板模型和传感器测得的对模拟撞击点的响应信号，演算复合材料层合板的材料参数。
其中，复合材料层合板的材料参数包括：剪切刚度和弯曲刚度。剪切层合板模型包括群速度理论模型式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和目标函数式(10)。
在实际应用中，由于复合材料层合板的结构几何形状的复杂性以及性能退化问题，材料参数很难直接测量得到。针对这一问题，本发明在对符合材料层合板上的实际撞击点的位置进行检测之前，提出了基于弯曲波到达时间的材料参数标定方法，该方法用于在复合材料层合板实际应用前，或根据需要定期地对复合材料层合板的材料参数进行标定，以确保撞击监测的准确性。
S2定位步骤：基于S1标定步骤得到的材料参数和剪切层合板模型，演算复合材料层合板上的实际撞击点的位置。
图2是标定步骤的流程图。
如图2所示，S1标定步骤包括以下步骤S11-S13：
S11，在复合材料层合板上设定模拟撞击点的位置和多个传感器。
在待检测的复合材料层合板上建立坐标轴；其中，x轴为复合材料层合板的纤维方向；y轴为与复合材料层合板的纤维方向垂直的方向。
在复合材料层合板上设置Np个传感器，并确定模拟撞击点的坐标；其中，第i个传感器的位置坐标为(xi,yi)(i＝1-Np)；在复合材料层合板上设定模拟撞击点的坐标；其中，模拟撞击点的位置坐标为(x0,y0)。
其中，传感器采用压电陶瓷传感器。
S12，在所述模拟撞击点的坐标的位置产生弯曲波。
在所述模拟撞击点的位置进行断铅实验，以在该位置产生弯曲波。
S13，传感器在感应到所述弯曲波时向控制器发送响应信号。
S14，控制器基于所述响应信号演算所述复合材料层合板的材料参数。
图3是本发明提供的对复合材料层合板的撞击位置识别方法第二实施例的流程图。在本实施例中，在上述实施例的基础上，其中，S14控制器基于所述响应信号演算所述复合材料层合板的材料参数，包括：
S141，控制器基于接收的所述传感器的响应信号进行计算，得到弯曲波到达第i个传感器和第1个传感器的波达时间差
S142，控制器计算弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度大小cg；
S143，控制器基于所述波达时间差
模拟撞击点的坐标、传感器的坐标、弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向、以及弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度进行计算，得到所述复合材料层合板的材料参数。
在本发明的另一个实施例中，在上述实施例的基础上，其中，S141进一步为：控制器基于接收的所述传感器的响应信号以及预设的理论模型进行演算，得到弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度大小cg；
其中，预设的群速度理论模型包括以下式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)；
M1＝diag(I,I,h) 式(3)
其中，cg为弯曲波在所述复合材料层合板上传播时的群速度向量；
h表示复合材料层合板的厚度；
I表示复合材料层合板的截面惯性矩，且I＝h3/12；
α表示等效剪切修正系数的平方，且α＝5/6；
Aii(i＝4,5)表示复合材料层合板的等效剪切刚度；
Dij(i,j＝1-6)表示复合材料层合板的等效弯曲刚度；
ω表示弯曲波的角频率；k表示弯曲波的波数大小；
θ表示弯曲波的传播方向与x轴的夹角；
R表示某一模态下的位移向量；
RH表示R的共轭转置；ek表示弯曲波传播方向上的单位向量；
eθ表示垂直于弯曲波传播方向的单位向量。
以上群速度理论模型的推导过程为：
具有对称铺层方式正交各向异性层合板或单向层合板的控制方程组为：
其中，x表示复合材料层合板的纤维方向；y表示与复合材料层合板的纤维方向垂直的方向；h表示复合材料层合板的厚度；w表示横向位移；ψx和ψy表示横截面在x和y方向的转动位移；I表示复合材料层合板的截面惯性矩，且I＝h3/12；α表示等效剪切修正系数的平方，且α＝5/6；Aii(i＝4,5)表示复合材料层合板的等效剪切刚度；Dij(i,j＝1-6)表示复合材料层合板的等效弯曲刚度；准各向同性层合板中各个方向上的波速几乎相同，其撞击监测方法类似于金属结构，不是本发明的重点针对对象。把平面波表达式代入方程组(6)可得特征方程组：
其中，R为某一模态下的位移向量。频散方程ω＝f(k,θ)可以由式(7)求得：det(M)＝0 (7)
为了快速计算不同ω和k下的群速度，推导得到了群速度的解析表达式。对k和θ进行求导，经过推导可得以上群速度理论模型式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)。
在本发明的另一个实施例中，在上述实施例的基础上，其中，当弯曲波在所述复合材料层合板上沿x方向、y方向传播时，所述预设的群速度理论模型简化为式(8)和式(9)：
在本发明的另一个实施例中，在上述实施例的基础上，其中，控制器将所述波达时间差、模拟撞击点的坐标、传感器的坐标、弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向、以及弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度带入预设的目标函数，并采用遗传算法对所述目标函数进行求解，得到所述复合材料层合板的材料参数；
其中，所述目标函数为式(10)：
fj表示弯曲波的频率；Nf表示频率点的个数；
表示波达时间差；
(x0,y0)表示模拟撞击点的坐标；(xi,yi)(i＝1-Np)表示传感器的坐标；
θi表示弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向；
cg表示弯曲波在复合材料层合板上传播的群速度大小。
在本发明的另一个实施例中，在上述实施例的基础上，其中，所述定位步骤中基于标定步骤得到的材料参数以及实际撞击产生的弯曲波的波达时间差，演算复合材料层合板上实际撞击点的位置，包括：
将经过所述标定步骤得到的复合材料层合板的材料参数，以及实际撞击产生的弯曲波波达时间差，代入所述目标函数，并采用遗传算法对所述目标函数进行求解，得到实际撞击点的位置坐标(x0,y0)。
在本发明的另一个实施例中，在上述实施例的基础上，其中，所述控制器接收到所述传感器发送的响应信号后，使用小波变换对信号进行处理，从而得到不同频率下弯曲波的到达时间；其中，所述不同频率弯曲波的频率在10kHz—150kHz之间。小波变换是时频变换方法的一种，可以分析信号中不同频率成分随时间的变化。选择复小波Morlet作为小波基，提取不同频率下的变换曲线，
下面结合试验实例对本发明进一步详细说明，但并不作为本发明任何限制的依据。实验采用的复合材料层合板材质为碳纤维T300/环氧树脂，铺层为[0]8，几何尺寸为500mm×500mm×2.3mm。请参阅图4—图6。
步骤一：在复合材料层合板上设定模拟撞击点的位置和多个传感器。
参见图4，在复合材料层合板1上建立坐标轴；其中，x轴为复合材料层合板的纤维方向；y轴为与复合材料层合板的纤维方向垂直的方向。
在复合材料层合板的四周粘贴4个传感器P1、P2、P3、P4。每个传感器P通信连接控制器。在复合材料层合板上设定模拟撞击点A，B和C。图4中，箭头F代表θ＝0°时的方向。
步骤二：在所述模拟撞击点的坐标的位置产生弯曲波，并对材料参数进行演算。
在步骤一中设定的模拟撞击点A、B和C分别进行三次断铅，并对每次断铅测量得到的群速度取平均。
具体地，首先，在图4中的A点处断铅，以在该A点处产生弯曲波。传感器P1和P2在感测到弯曲波时产生响应信号，并将响应信号发送至控制器。
控制器利用连续小波变换可以提取不同频率弯曲波的到达时间。
控制器以式(10)为目标函数，通过遗传算法可以对弯曲刚度系数D11和剪切刚度系数A55进行演算。同理，在B点处断铅，利用传感器P1和P3感测的弯曲波的信号可以对弯曲刚度系数D22和剪切刚度系数A44进行演算。之后，再次在C点断铅测量，利用传感器P1和P4感测的弯曲波的信号可以用于再次验证演算得到的弯曲刚度系数D11和D22，剪切刚度系数A44和A55结果的正确性。
步骤三：利用步骤二中演算得到的材料参数，对复合材料层合板进行撞击定位监测。
由于被监测复合材料层合板的结构和传感器分布具有对称性，因此选取图5a中标出的方块区域进行撞击定位的检验。
在图5a中标出的方块区域中设置33个实际撞击点，每两个相邻的实际撞击点间距20mm。在每个实际撞击点处进行断铅。
通过4个传感器感测到的弯曲波的信号确定不同频率下的波达时间，以(10)式为目标函数，利用通过遗传算法对断铅点位置坐标进行演算。从图5b中可以看出:通过本发明的方法演算得到的实际撞击点的坐标位置和断铅点的坐标位置几乎重合，误差较小。
本实施例使用了10kHz-150kHz间多个频率点进行断铅位置的确定，并取不同频率下结果的平均值作为最终的反演结果。
图6中，符号“.”表示采用单频率进行检测，演算得到的实际撞击点的位置；符号“□”表示采用多频率进行检测，演算得到的实际撞击点的位置；符号“○”表示在复合材料层合版上进行断铅的位置。从图6中可以看出，采用多频率定位方法避免了采用单频率测量时由于某些频率下定位误差较大的缺点，有效地降低了位置坐标的反演误差。
不同位置断铅定位的最大反演误差不超过10mm(参见图5)，即传感器间距的5％，定位结果较准确。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (8)
1.一种对复合材料层合板的撞击位置识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
标定步骤：在复合材料层合板上设定模拟撞击点的位置和多个传感器；在所述模拟撞击点的坐标的位置产生弯曲波；传感器在感应到所述弯曲波时向控制器发送响应信号；控制器基于所述响应信号演算所述复合材料层合板的材料参数；
定位步骤：基于标定步骤得到的材料参数以及实际撞击产生的弯曲波信号，演算复合材料层合板上的实际撞击点的位置；
所述控制器基于所述响应信号演算所述复合材料层合板的材料参数，包括：
控制器基于接收的所述传感器的响应信号进行计算，得到弯曲波到达第i个传感器和第1个传感器的波达时间差；
控制器计算弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度；
控制器基于所述波达时间差、模拟撞击点的坐标、传感器的坐标、弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向、以及弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度进行计算，得到所述复合材料层合板的材料参数；
控制器将所述波达时间差、模拟撞击点的坐标、传感器的坐标、弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向、以及弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度带入预设的目标函数，并采用遗传算法对所述目标函数进行求解，得到所述复合材料层合板的材料参数；
其中，所述目标函数为：
fj表示弯曲波的频率；Nf表示频率点的个数；
表示波达时间差；(x0,y0)表示模拟撞击点的坐标；(xi,yi)(i＝1-Np)表示传感器的坐标；θi表示弯曲波从所述模拟撞击点到第i个传感器的传播方向；cg表示弯曲波在复合材料层合板上传播的群速度大小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在复合材料层合板上设定模拟撞击点的位置和多个传感器，包括：
在待检测的复合材料层合板上建立坐标轴；其中，x轴为复合材料层合板的纤维方向；y轴为与复合材料层合板的纤维方向垂直的方向；
在所述复合材料层合板上设置Np个传感器，并设定模拟撞击点；其中，第i个传感器的位置坐标为(xi,yi)(i＝1-Np)，模拟撞击点的位置坐标为(x0,y0)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述模拟撞击点的位置进行断铅实验，以在该位置产生弯曲波。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述复合材料层合板的材料参数包括：剪切刚度和弯曲刚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
控制器基于接收的所述传感器的响应信号以及预设的理论模型进行演算，得到弯曲波在所述复合材料层合板上传播的群速度；
所述预设的群速度理论模型包括以下式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)；
M1＝diag(I,I,h) 式(3)
其中，cg为弯曲波在所述复合材料层合板上传播时的群速度向量；
h表示复合材料层合板的厚度；
I表示复合材料层合板的截面惯性矩，且I＝h3/12；
α表示等效剪切修正系数的平方，且α＝5/6；
Aii(i＝4,5)表示复合材料层合板的等效剪切刚度；
Dij(i,j＝1-6)表示复合材料层合板的等效弯曲刚度；
ω表示弯曲波的角频率；k表示弯曲波的波数大小；
θ表示弯曲波的传播方向与x轴的夹角；
R表示某一模态下的位移向量；
RH表示R的共轭转置；ek表示弯曲波传播方向上的单位向量；
eθ表示垂直于弯曲波传播方向的单位向量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当弯曲波在所述复合材料层合板上沿x方向、y方向传播时，所述预设的群速度理论模型简化为式(8)和式(9)：
7.根据权利要求1所述的识别方法，其中，所述定位步骤中基于标定步骤得到的材料参数，演算复合材料层合板上实际撞击点的位置，包括：
将经过所述标定步骤得到的复合材料层合板的材料参数，以及实际撞击产生的弯曲波波达时间差，代入所述目标函数，并采用遗传算法对所述目标函数进行求解，得到实际撞击点的位置坐标(x0,y0)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的识别方法，其中，
所述控制器接收到所述传感器发送的响应信号后，使用小波变换对信号进行处理，从而得到不同频率下弯曲波的到达时间；
其中，所述不同频率弯曲波的频率在10kHz—150kHz之间。
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| 《复合材料蜂窝夹芯结构低速冲击位置识别研究》;赵林虎;《振动与冲击》;20120128;第31卷(第2期);全文 * |
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