CN110274720B - 基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法，属于航空结构健康监测领域。本发明首先获取监测范围内每个压电传感器的冲击数字序列，通过提取各传感器的数字序列特征参数来确定发生冲击的子区域；然后针对冲击子区域中任意两个压电传感器构建虚拟路径，采用这对传感器的数字序列特征参数计算该路径的冲击因子，表征冲击发生位置和路径的相对距离；最后，结合冲击子区域中各虚拟路径的冲击因子进行路径成像，并根据成像结果实现冲击的准确定位。本发明解决了现有基于数字序列的监测方法只能定位冲击子区域的问题，在实现轻量化冲击监测的同时大幅提高了定位精度，在航空复合材料结构的机载在线冲击监测方面有很好的应用前景。

Description

基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法

技术领域

本发明属于航空结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法。

背景技术

相比于常规金属材料，碳纤维等先进复合材料具有比刚度大、比强度高、耐腐蚀以及可设计性强等优点，在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。然而，在航空复合材料结构的制造、服役和维护等整个寿命周期中，结构不可避免的会遭受工具掉落、地勤车碰撞、冰雹等外部冲击事件，造成结构产生内部脱层等表面不可见的损伤，降低结构的整体机械性能，严重威胁航空飞行器的服役安全。因此，迫切需要开展航空复合材料结构的冲击监测。

基于压电传感器网络和导波的结构健康监测方法具有监测灵敏度高、监测范围大，既能监测结构冲击也能监测损伤，既能在线监测也能离线监测，既能监测金属也能监测复合材料结构等优点，是目前最有前景的航空结构健康监测技术之一，在复合材料结构冲击监测方面也得到了广泛研究。然而，冲击是一种瞬时事件，必须要对其进行机载在线监测。而常规压电导波冲击监测方法由于追求高定位精度，对压电结构健康监测系统的软硬件配置要求很高，导致系统体积重量大、功耗高，难以满足航空应用的轻量化要求。数字式冲击区域定位方法通过将压电传感器的冲击响应信号直接转换为数字序列，并从中提取相应特征参数以实现冲击发生子区域的定位，能够大大简化系统的体积、降低系统重量和功耗，基于该方法的数字式冲击监测系统能够满足机载在线监测的要求。

然而，当前数字式冲击区域定位方法只能给出冲击发生位置所在的子区域，即冲击发生的大致区域范围，特别是当被监测结构尺寸较大，且系统所能连接的压电传感器数量有限时，监测范围内各子区域的面积也会相应较大。虽然该方法能够实现航空复合材料结构冲击的机载在线监测，但定位精度低，还需要对冲击发生区域进行后续的无损伤检测来确定冲击发生位置。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法，以解决现有基于数字序列的监测方法只能定位冲击子区域，定位精度低的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法，包括步骤如下：

1)虚拟路径冲击因子获取：复合材料结构上发生冲击时，获取结构上布置的压电传感器网络中每个传感器响应冲击产生的数字序列，提取每个传感器的数字序列特征参数并确定冲击发生子区域，然后针对子区域内的任意两个传感器构建一个虚拟路径，并采用所述两个传感器的数字序列特征参数计算虚拟路径的冲击因子；

2)冲击的虚拟路径成像定位：结合路径成像算法对上述冲击发生子区域进行冲击成像，并通过设置阈值，对成像结果进行加权和来确定冲击发生的具体位置。

进一步地，所述步骤1)中的中的虚拟路径冲击因子获取过程具体包括：

11)冲击发生时，获取压电传感器网络中压电传感器响应冲击所产生的数字序列，对比各数字序列第一个上升沿到达时间的先后顺序，记为IFRE，假设结构上总共布置了S个压电传感器，S为大于1的自然数，则IFRE的取值为1～S，按下式计算每个压电传感器冲击数字序列的特征参数FP；

12)对于压电传感器网络监测范围内的每个子区域，计算其包含的所有压电传感器的特征参数之和，以描述每个子区域受冲击的影响程度大小，并判别和值最大的子区域为发生了冲击的子区域；

13)选取冲击发生子区域内任意两个传感器构建一个虚拟路径，所述两个传感器的特征参数记为FP₁和FP₂，按下式计算该路径的冲击因子VI，表征冲击发生位置和该路径的相对距离；

VI＝FP₁+FP₂。

进一步地，所述步骤2)中的冲击的虚拟路径成像定位过程具体包括：

21)设冲击发生子区域内可以构建N个虚拟路径，N为大于等于1的自然数，计算所有虚拟路径的冲击因子，第n个虚拟路径的冲击因子记为VI_n，n＝1,2,…,N，对于子区域中的任意一个点(x,y)，其发生冲击的概率P(x,y)表达如下：

其中，B为预设的尺寸参数，用于控制第n个虚拟路径的冲击因子的影响区域大小，Q_n(x,y)为点(x,y)到第n个虚拟路径的2个压电传感器的距离之和与该第n个虚拟路径长度的比值，表达式如下：

其中：(x₁,y₁)和(x₂,y₂)为第n个虚拟路径中2个压电传感器的坐标；

22)重复步骤21)，计算冲击发生子区域内所有点的冲击发生概率，并作为各个点的像素值进行成像，获得冲击成像结果P；

23)设定像素值阈值T，统计获取成像结果P中所有像素值大于T的像素点，假设总共有M个点，M为大于等于1的自然数，按如下公式对这些点的坐标进行加权求和，获得冲击定位结果(x_impact,y_impact)；

其中，(x_m,y_m)为第m个像素值大于阈值T的像素点的坐标，P(x_m,y_m)为该点的像素值。

本发明的有益效果：

本发明通过构建虚拟路径及其冲击因子来表征冲击发生位置和虚拟路径的相对距离，并结合路径成像方法实现了基于数字序列的冲击成像定位，算法简单，定位速度快，能够用于轻量化冲击监测，在满足航空复合材料结构的机载在线冲击监测需求的同时大幅提高了定位精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为实施例采用的复合材料蜂窝板结构及压电传感器网络示意图。

图3为典型压电传感器的冲击数字序列示意图。

图4为每个子区域受冲击的影响程度示意图。

图5为子区域2的虚拟路径构建示意图。

图6为冲击的虚拟路径成像定位结果示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种基于压电数字序列的复合材料冲击虚拟路径成像方法，包括步骤如下：

1)虚拟路径冲击因子获取：复合材料结构上发生冲击时，获取结构上布置的压电传感器网络中每个传感器响应冲击产生的数字序列，提取每个传感器的特征参数并确定冲击发生子区域，然后针对子区域内的任意两个传感器构建一个虚拟路径，并采用所述两个传感器的数字序列特征参数计算虚拟路径的冲击因子；

2)冲击的虚拟路径成像定位：结合路径成像算法对上述冲击发生子区域进行冲击成像，并通过设置阈值，对成像结果进行加权和来确定冲击发生的具体位置。

本实施例的监测对象为复合材料蜂窝板结构，如图2所示，尺寸为750mm×340mm×3mm(长×宽×厚)。结构内表面布置的压电传感器网络包含15传感器，编号为1～15，各传感器的横向间距为120mm，纵向间距为130mm。这些传感器总共组成了8个监测子区域，编号为1～8，每个子区域的面积为120mm×130mm。以8号传感器所在位置为原点构建直角坐标系。实施过程中采用冲击锤在结构外表面施加冲击。

以2号子区域发生了冲击事件为例，冲击坐标为(-60mm,32.5mm)，采用数字式冲击监测系统采集各个压电传感器的冲击数字序列。图3给出了压电传感器2、3、7、8、12和13的数字序列作为示例，长度为70000个点。

对所有15个压电传感器数字序列的第1个上升沿的到达时间进行排序，并计算相应的特征参数FP，其中除2、3、7、8这4个传感器的特征参数分别为0.25、0.5、0.125和1外，其它11个传感器的特征参数均为0。

计算每个子区域内4个压电传感器的特征参数之和，表征每个子区域受冲击的影响程度大小，结果如图4所示，可以判定子区域2发生了冲击，与实际情况相符合。

选择子区域2中任意2个压电传感器构建虚拟路径，总共可以获得6个虚拟路径，如图5所示，分别为路径2-3、2-7、2-8、3-7、3-8和7-8，并结合传感器的特征参数FP计算每个虚拟路径的冲击因子VI，分别为0.75、0.375、1.25、0.625、1.5和1.125，准确表征了冲击发生位置和这些虚拟路径的相对距离。

基于子区域2中各虚拟路径的冲击因子，采用路径成像方法对子区域2进行冲击成像；并设置像素值阈值T＝0.3，对成像结果中所有像素值大于0.3的像素点的坐标进行加权，获得的冲击定位结果为(-56.4mm,50.6mm)，如图6所示，冲击定位误差仅为1.8cm。在本实施例中，若采用常规基于数字序列的监测方法，仅能将冲击定位在监测面积为120mm×130mm的子区域中，而无法识别冲击的具体位置；相比之下，本发明提出的方法同样基于数字序列实施，在能够实现冲击轻量化监测的同时大幅提高了冲击定位精度。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)虚拟路径冲击因子获取：复合材料结构上发生冲击时，获取结构上布置的压电传感器网络中每个传感器响应冲击产生的数字序列，提取每个传感器的数字序列特征参数并确定冲击发生子区域，然后针对子区域内的任意两个传感器构建一个虚拟路径，并采用所述两个传感器的数字序列特征参数计算虚拟路径的冲击因子；

2)冲击的虚拟路径成像定位：结合路径成像算法对上述冲击发生子区域进行冲击成像，并通过设置阈值，对成像结果进行加权和来确定冲击发生的具体位置；

所述步骤1)中的虚拟路径冲击因子获取过程具体包括：

11)冲击发生时，获取压电传感器网络中压电传感器响应冲击所产生的数字序列，对比各数字序列第一个上升沿到达时间的先后顺序，记为IFRE，假设结构上总共布置了S个压电传感器，S为大于1的自然数，则IFRE的取值为1～S，按下式计算每个压电传感器冲击数字序列的特征参数FP；

12)对于压电传感器网络监测范围内的每个子区域，计算其包含的所有压电传感器的特征参数之和，以描述每个子区域受冲击的影响程度大小，并判别和值最大的子区域为发生了冲击的子区域；

13)选取冲击发生子区域内任意两个传感器构建虚拟路径，所述两个传感器的特征参数记为FP₁和FP₂，按下式计算该虚拟路径的冲击因子VI，表征冲击发生位置和该虚拟路径的相对距离；

VI＝FP₁+FP₂。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟路径的轻量化复合材料结构冲击成像方法，其特征在于，所述步骤2)中冲击的虚拟路径成像定位过程具体包括：

21)设冲击发生子区域内构建N个虚拟路径，N为大于等于2的自然数，计算所有虚拟路径的冲击因子，其中第n个虚拟路径的冲击因子记为VI_n，n＝1,2,…,N，对于子区域中的任意一个点(x,y)，其发生冲击的概率P(x,y)表达如下：

其中，B为预设的尺寸参数，用于控制第n个虚拟路径的冲击因子的影响区域大小，Q_n(x,y)为点(x,y)到第n个虚拟路径的2个压电传感器的距离之和与该第n个虚拟路径长度的比值，表达式如下：

其中(x₁,y₁)和(x₂,y₂)为第n个虚拟路径中2个压电传感器的坐标；

22)重复步骤21)，计算冲击发生子区域内所有点的冲击发生概率，并作为各个点的像素值进行成像，获得冲击成像结果P；

23)设定像素值阈值T，统计获取成像结果P中所有像素值大于T的像素点，假设总共有M个点，M为大于等于1的自然数，按如下公式对这些点的坐标进行加权求和，获得冲击定位结果(x_impact,y_impact)；

其中，(x_m,y_m)为第m个像素值大于阈值T的像素点的坐标，P(x_m,y_m)为该点的像素值。

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