CN110274957B - 一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法，该方法通过激励设定区域表面，采集激励信号和响应信号；利用激励信号和响应信号计算频响函数；对频响函数幅值序列构造状态相空间矩阵；通过奇异值分解获得相空间矩阵的主成分值，然后计算奇异值熵。激励构件局部脱粘区域，脱粘后结构复杂引起响应成分更加复杂，使得脱粘区域的奇异值熵大于无脱粘区域的奇异值熵。通过故障样件实验，建立粘接质量与奇异值熵映射关系数据库，确定脱粘的奇异值熵阈值。测试获得局部测点奇异值熵，大于阈值则判断为脱粘，否则为完好区域。经过实验验证，本发明能够方便、快速的确定大阻尼层合构件粘接质量，操作简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于振动检测技术领域，涉及基于振动频响函数奇异值熵的粘接构件局部脱粘检测及诊断方法，为一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法。
背景技术
目前，大型粘接构件是固体/液体火箭燃料贮箱的关键部件。在实际加工过程生产时，粘接过程中容易受到环境温度、湿度影响，同时生产条件、加工技术也会影响最终粘接质量。一旦粘接质量出现问题，如出现局部脱粘，导致结构及功能发生改变，可能会产生灾难性的事故。为了维持装备可靠运行，必须对构件粘接质量进行检测。
目前，粘接质量无损检测主要方法是超声波检测。但是橡胶材料会对超声波的入射、反射产生影响。此外，超声波检测操作步骤复杂，容易受材料特性影响，信号后处理分析繁琐。这些因素限制了超声波方法在大型钢板橡胶粘接构件的脱粘质量检测中的应用。鉴于此，本发明提出了基于振动的粘接质量检测方法，利用振动响应计算频响函数奇异值熵来判别粘接质量，其测量方法简单，易于操作，可以进行快速、可靠测量。
发明内容
为了避免超声波在大阻尼层合结构界面粘接质量检测中存在的问题，本发明的目的在于提供一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：针对层合结构的待检测点(层合结构的待检测点可能在脱粘区域或不脱粘区域)，利用力锤在设定位置进行敲击，并用力传感器获取力锤的激励力信号，用加速度传感器获取层合结构被敲击点的加速度信号；
步骤2：利用加速度信号与激励力信号，计算不同敲击位置下的H1频响函数；
步骤3：将步骤2计算得到的H1频响函数幅值序列取对数运算后，构造相空间矩阵，并对该矩阵进行奇异值分解，获得s个奇异值，计算相应的奇异值熵，做对数运算可提高噪声鲁棒性；
步骤4：重复步骤1-3，建立故障样件不同粘接质量区域的奇异值熵数据库，确定脱粘的奇异值熵阈值；
步骤5：对待测构件进行敲击，利用加速度传感器收集加速度信号，计算奇异值熵，当大于步骤4确定的阈值时，判定为脱粘区域，反之判断为无脱粘区域。
力锤进行敲击的位置设定，以加速度传感器为中心，环向布点敲击，以便于确定脱粘阈值。
所述加速度传感器一般全场分散布置，间隔不超过有效测量范围的2倍。
本发明构造的所述相空间矩阵为
其中，H1i为H1频响函数幅值序列第i个值，相空间矩阵为m×n阶矩阵，且m+n-1＝N，N是频响函数幅值序列长度，即i取值为[1,N]。
所述奇异值熵的计算公式如下：
式中，E为奇异值熵，pi为第i个奇异值在整个奇异值序列中的比重，σi为从大到小第i个奇异值。
本发明针对大阻尼层合，以频响函数幅值序列相空间矩阵的奇异值熵作为脱粘质量判据，识别灵敏度高，噪声鲁棒性强。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本方法采用振动测试检测构件局部脱粘质量，无需对构件破坏性测试。
(2)本发明充分利用振动测量的特点，利用加速度传感器与力锤采集振动信号，使结构脱粘情况信息被激发并反映在响应信号中。
(3)本发明利用H1频响函数估计真实系统的频响函数，并且多次测量进行集合平均，能够有效的消除输出端噪声干扰。
(4)本发明对H1频响函数幅值进行对数运算后构造频响函数相空间矩阵，可以反映构件局部结构变化，即粘接质量特性。
(5)本发明利用奇异值分解求解H1频响函数相空间矩阵的奇异值，并进一步求得奇异值熵，以此为判据，可以对层合结构界面粘接质量进行快速、简易判断。
附图说明
图1为一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法流程图
图2为本发明方法测量装置示意图
图3为正常区域H1频响函数曲线图
图4为脱粘区域H1频响函数曲线图
图5为不同敲击区域奇异值熵值
图中，1、圆柱形钢板底层，2、圆柱形橡胶层，3、脱粘空隙，4、加速度传感器，5、力锤(含力传感器)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明提出的一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法，步骤为：利用力锤对检测构件进行冲击激励，采用加速度传感器进行振动信号采集；利用采集的加速度信号和力信号计算H1频响函数；对H1频响函数幅值进行对数运算后，构造频响函数相空间矩阵；对相空间矩阵进行奇异值分解，提取奇异值并计算奇异值熵；建立粘接质量与奇异值熵映射关系数据库，划定该构件脱粘判别奇异值熵阈值；对待识别的大阻尼橡胶粘接构件进行振动敲击信号采集，计算奇异值熵，利用奇异值熵判据判断粘接质量。
本实施例中的构件是一类圆筒形大阻尼层合结构粘接构件，其具体检测方法如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：将加速度传感器固定在构件大阻尼橡胶表面，利用力锤在层合结构待检测点进行敲击，并用力传感器获取力锤激励力信号，用加速度传感器获取层合结构被敲击点的加速度信号，如图2所示；
步骤2：利用采集到的加速度信号与激励力信号，计算H1频响函数；H1频响函数计算步骤如下：计算激励f与响应x的互相关函数、互功率谱：
Rfx(τ)＝E[f(t)x(t+τ)]
计算激励f的自相关函数、自功率谱：
Rff(τ)＝E[f(t)f(t+τ)]
H1频响函数可以求得：
其中，t，τ是表示时间量的符号；f是计算激励信号；x是响应信号；Rfx为f，x的互相关函数；Rff为f的自相关函数；Sfx为f，x的互功率谱；Sff为f的自功率谱；E[x]是集合平均函数；
图3为部分正常区域H1频响函数曲线图，图4为部分脱粘区域H1频响函数曲线图。
步骤3：将步骤2计算得到的H1频响函数幅值取对数运算后，构造相空间矩阵如下：
其中，H1i为H1频响函数幅值序列第i个值，相空间矩阵为m×n阶矩阵，且m+n-1＝N，N是频响函数幅值序列长度，即i取值为[1,N]。
并对该矩阵进行奇异值分解，获得s个奇异值，计算相应的奇异值熵：
式中，σi为从大到小第i个奇异值，pi为第i个奇异值在整个奇异值序列中的比重；
步骤4：对不同设定位置，重复步骤1-3，建立粘接质量与奇异值熵映射关系数据库，确定脱粘与否的奇异值熵阈值；如图5所示，构件1的各敲击点与奇异值熵曲线，且构件1的敲击点2-6为脱粘区域，所以确定脱粘阈值为0.8。
步骤5：对待测结构进行敲击，利用加速度传感器收集加速度信号，计算奇异值熵，当大于步骤4确定的阈值时，判定为脱粘区域，反之判断为无脱粘区域。如图5所示，构件2的奇异值熵均在步骤4确定的阈值以下，所以判定构件2的所有敲击区域粘接质量良好，无脱粘。
Claims (4)
1.一种大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：针对层合结构待检测点，利用力锤在设定位置进行敲击，并用力传感器获取力锤的激励力信号，用加速度传感器获取层合结构被敲击点的加速度信号，力锤进行敲击的位置设定，以加速度传感器为中心，环向布点敲击，以便于确定脱粘阈值；
步骤2：利用加速度信号与激励力信号，计算不同敲击位置下的H1频响函数；
步骤3：将步骤2计算得到的H1频响函数幅值序列取对数运算后，构造相空间矩阵，并对该矩阵进行奇异值分解，获得s个奇异值，计算相应的奇异值熵，做对数运算可提高噪声鲁棒性；
步骤4：重复步骤1-3，建立故障样件不同粘接质量区域的奇异值熵数据库，确定脱粘的奇异值熵阈值；
步骤5：对待测构件进行敲击，利用加速度传感器收集加速度信号，计算奇异值熵，当大于步骤4确定的阈值时，判定为脱粘区域，反之判断为无脱粘区域。
2.根据权利要求1所述大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法，其特征在于，所述加速度传感器全场分散布置，间隔不超过有效测量范围的2倍。
3.根据权利要求1所述大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法，其特征在于，构造的所述相空间矩阵为
其中，H1i为H1频响函数幅值序列第i个值，相空间矩阵为m×n阶矩阵，且m+n-1＝N，N是频响函数幅值序列长度，即i取值为[1,N]。
4.根据权利要求1所述大阻尼层合结构界面粘接质量检测方法，其特征在于，所述奇异值熵的计算公式如下：
式中，E为奇异值熵，pi为第i个奇异值在整个奇异值序列中的比重，σi为从大到小第i个奇异值。
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