CN111964857B - 一种轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，基于模态参数的无损检测方法，利用非接触式激光测振仪对点阵结构的但侧面板进行全场动态扫描。通过用matlab对时域信号进行信号处理，得出高频激励下的频响函数，由频响函数的共振峰得出局部共振频率，做出共振频率下的振型图即可实现损伤识别的目的。通过数值模拟与实验检测结果均表明，采用高频激励检测技术，能快速有效的对结构中损伤进行定位识别。

Description

一种轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域，尤其涉及一种基于高频动态响应的结构健康监测方法。
背景技术
点阵夹芯结构作为一种具有超轻质、高比强度、高比刚度、超强韧等性能新型多功能材料，广泛应用于航空航天、交通运输、国防军事等领域。作为典型的多孔材料，点阵材料的密度远低于传统的固体材料，采用点阵复合夹芯结构可以比相同性能的传统金属结构质量轻70％。点阵夹芯结构是理想的抗爆炸、弹道冲击的轻质结构材料。利用点阵夹芯结构来代替现有的军事装甲结构便可在保证强度一定时减轻重量并有效提高结构对弹道和爆炸冲击的保护目前大多数研究均着重于结构的动态响应弹道冲击和爆炸产生的冲击波的冲击。由于点阵材料构型复杂，在制造或使用过程中容易形成各类损伤，如杆件的脱焊等典型损伤，这将降低材料的力学承载性能，威胁结构的整体安全性。结构损伤检测技术目前已经比较成熟，如采用导波检测技术，相控阵检测技术等。但对于具有复杂结构的点阵材料，相关的文献及检测方法并不多。
目前针对于点阵结构损伤评估的研究，均是采用低阶振型进行识别，一方面是由于高频振动难以激励，另一主要原因是结构的高频响应非常复杂，尤其是对于构型复杂的点阵结构。然而，对于结构中的微小损伤，低频振动往往难以准确的定位损伤，甚至可能漏检损伤的存在。因此，对于点阵结构的损伤检测，迫切的需要对其高频动态响应进行研究。
发明内容
针对目前对于点阵结构检测方法的不足，本发明提供了一种基于高频振动响应特性的检测技术，使得结构中的损伤能够更加准确有效的进行定位识别。
本发明是通过以下步骤实现上检测技术目的的。
一种轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：数值模拟：用COMSOL对含有脱开耦合点的脱焊损伤的点阵结构以及健康的点阵结构进行数值模拟，获得具有脱焊损伤的轻材点阵夹芯结构在高频激励下的固有频率、固有振型；
步骤二：采用压电片作为激励器，粘贴在待测轻材点阵夹芯结构件中心；
步骤三：用三联通导线分别连接SLDV上的参考信号、响应信号接口以及功率放大器，将压电片用导线与功率放大器连接；
步骤四：打开SLDV，调整探头位置，采用中心频率为8kHz、频带为7kHz-9kHz的四峰波为激励信号；
步骤五：对测量区域进行自动扫描测试，得到单侧面板在激励频率下的振动信号。
步骤六：提取振动信号，用MATLAB处理实验数据，得出待测轻材点阵夹芯结构的固有振型，基于得到的固有振型图形与步骤一所得模型识别并定位出损伤的位置及类型。
进一步地，步骤一中，在模拟时，采用脱开耦合点进行模拟，对上下两层面板的四边均设为简支边界，首先，单独计算与脱焊点相邻的几个焊点组成的局部区域的固有频率；然后，用以该局部区域的基频为中心频率的宽频带激励整体结构，得出整体结构的模态。
进一步地，步骤二中，在试件表面粘贴反光膜。
进一步地，步骤二中，将压电片布置在被测区域的中间位置；在待测轻材点阵夹芯结构单侧面板上设置测量区域，在测量区域布置多个测点，相邻测点等间距设置。
进一步地，步骤五中，对每个测点重复测量多次取平均。
进一步地，步骤一与步骤二中，数值模拟的结构尺寸大小与实验测试中的构件尺寸相同，可以更好的将仿真和实验进行结合对照。
进一步地，步骤三中的激励信号，选取经Hanning窗调制的四周期正弦函数为激励信号，中心频率为8kHz。
进一步地，步骤六中由于仅测量了点阵结构单侧面板的振动响应，由式(1)得到局部结构的频响函数，
Figure BDA0002603376050000021
式中X(ω)和Y(ω)分别为激励信号、检测信号经傅里叶变换后的频域信号；
由于需考虑压电片激励的频响效应，以及激励函数的频谱分布，故有
X(ω)＝XPZT(ω)·Xact(ω)   (2)
其中XPZT(ω)为压电片的频率响应，Xact(ω)为输入激励的频域信号；
通过所得出的频响函数图获得局部共振的共振频率，根据提取出的在7kHz-9kHz频带内的振动试验数据，通过MATLAB编程即可作出共振频率下的振型图。
进一步地，所述含有脱开耦合点的脱焊损伤为含有一个脱焊点、多个脱焊点的多种损伤形式。
本发明基于高频振动响应的损伤检测方法可以弥补局部损伤检测方法的不足，对整个结构进行检测，并对结构的整体性能进行评估。同时，结构在高频下的响应对局部损伤更加敏感，提高了结构损伤定位识别的精确度。激励信号选择经Hanning窗调制过的四峰波进行宽频带激励，实现了对点阵结构的损伤成像识别定位。
本发明为基于模态参数的无损检测方法，利用非接触式激光测振仪(SLDV)对点阵结构的但侧面板进行全场动态扫描。通过用matlab对时域信号进行信号处理，得出高频激励下的频响函数，由频响函数的共振峰得出局部共振频率，做出共振频率下的振型图即可实现损伤识别的目的。通过数值模拟与实验检测结果均表明，采用高频激励检测技术，能快速有效的对结构中损伤进行定位识别。
附图说明
图1为本发明所述基于高频动态响应实验测试的流程图。
图2为本发明实施例的数值仿真中脱焊损伤结构位置图，图中黑点为脱焊损伤点。
图3为实施例的激励信号，(a)时域信号为激励信号四峰波，通过傅里叶变换转化为(b)频域信号，即在实验中提供7kHz-9kHz的激励信号。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，用于轻型点阵夹芯结构，具体包括以下步骤，如图1所示：
步骤一：用COMSOL对含有不同损伤，包括一个脱焊点、两个脱焊点、多个脱焊点，以及健康的轻型点阵夹芯结构进行数值模拟，其中脱焊损伤位置的具体位置随机设置，尽量遍布所有位点，图2所示为三种具体示例。通过matlab对结构在仿真效果下的数据进行计算，可以得出在高频激励下的固有振型。
步骤二：以铝材轻型点阵夹芯结构为例，单胞尺寸与数值模拟一致，待测轻材点阵夹芯结构件整体结构尺寸为380mm×43mm×12.2mm，包含26×3个单胞。对含有损伤的点阵结构布置压电片阵列，将压电片布置在被测区域的中心位置，测量区域设置为30mm×4mm，测点间隔为5mm，共549个测点。
步骤三：用三联通导线分别连接多普勒激光测振仪(Scanning Laser DopplerVibrometry,SLDV)上的参考信号、响应信号以及功率放大器，将压电片与功率放大器连接。
传统的激励方法，如力锤和激振器，由于频率的限制，很难得到高频的激励信号。为了测量结构在高频下的响应，本发明中采用压电片作为激励器，粘贴在试件中心。为了增强激励信号，将生成的激励信号经KH 7602M功率放大器放大，再接至压电片。采用PSV-500扫描式多普勒激光测振仪测量采集点阵结构面板的振动响应。为了提高激光测振检测精度，在试件表面粘贴反光膜以增加反射信号。为了激励高频宽频段信号，选取经Hanning窗调制的四周期正弦函数为激励信号，中心频率为8kHz。从附图3中可看出，所选的激励信号在检测所需的7kHz至9kHz范围内具有较高的能量分布。
步骤四：打开SLDV，调整探头位置，分别对压电片激励一组中心频率为8kHz的四峰波和一组稳态谐振信号来进行对比，其中稳态谐振信号是频率从7kHz至9kHz，间隔100Hz。直接测量压电片在各个频率激励下的振动响应，并做最大值归一化。结果显示通过以上两种激励方式对压电片进行激励，在该频段的响应虽存在一定的波动性，但相对偏差不大，且各频率都有较大的响应，可满足检测激励需求。
步骤五：对测量区域进行自动扫描测试，为了提高测量精度，每个测点重复测量5次取平均。
步骤六：将实验测得的时域信号导入matlab中经过傅里叶变换得到频域的响应信号。由于仅测量了点阵结构单侧面板的振动响应，得到的是局部结构的频响函数，由下(1)式给出。
Figure BDA0002603376050000041
式中X(ω)和Y(ω)分别为激励与检测信号经傅里叶变换后的频域信号。由于需考虑压电片激励的频响效应，以及激励函数的频谱分布，故有
X(ω)＝XPZT(ω)·Xact(ω)   (2)
其中XPZT(ω)为压电片的频率响应，Xact(ω)为输入激励的频域信号。
通过所得出的频响函数图作出共振频率下的振型图，实现损伤成像的目的。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：数值模拟：用COMSOL对含有脱开耦合点的脱焊损伤的点阵结构以及健康的点阵结构进行数值模拟，获得具有脱焊损伤的轻材点阵夹芯结构在高频激励下的固有频率、固有振型；
步骤二：采用压电片作为激励器，粘贴在待测轻材点阵夹芯结构件中心；
步骤三：用三联通导线分别连接多普勒激光测振仪SLDV上的参考信号、响应信号接口以及功率放大器，将压电片用导线与功率放大器连接；
步骤四：打开SLDV，调整探头位置，采用中心频率为8kHz、频带为7kHz-9kHz的四峰波为激励信号；
步骤五：对测量区域进行自动扫描测试，得到单侧面板在激励频率下的振动信号；
步骤六：提取振动信号，用MATLAB处理实验数据，得出待测轻材点阵夹芯结构的固有振型，由于仅测量了点阵结构单侧面板的振动响应，由式(1)得到局部结构的频响函数，
Figure FDA0004038746360000011
式中X(ω)和Y(ω)分别为激励信号、检测信号经傅里叶变换后的频域信号；
由于需考虑压电片激励的频响效应，以及激励函数的频谱分布，故有
X(ω)＝XPZT(ω)·Xact(ω)       (2)
其中XPZT(ω)为压电片的频率响应，Xact(ω)为输入激励的频域信号；
通过所得出的频响函数图获得局部共振的共振频率，根据提取出的在7kHz-9kHz频带内的振动试验数据，通过MATLAB编程即可作出共振频率下的振型图；
基于得到的固有振型图形与步骤一所得模型识别并定位出损伤的位置及类型。
2.根据权利要求1所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，步骤一中，在模拟时，采用脱开耦合点进行模拟，对上下两层面板的四边均设为简支边界，首先，单独计算与脱焊点相邻的几个焊点组成的局部区域的固有频率；然后，用以该局部区域的基频为中心频率的宽频带激励整体结构，得出整体结构的模态。
3.根据权利要求1所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，步骤二中，在试件表面粘贴反光膜。
4.根据权利要求1所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，步骤二中，将压电片布置在被测区域的中间位置；在待测轻材点阵夹芯结构单侧面板上设置测量区域，在测量区域布置多个测点，相邻测点等间距设置。
5.根据权利要求1所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，步骤五中，对每个测点重复测量多次取平均。
6.根据权利要求1所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，步骤一与步骤二中，数值模拟的结构尺寸大小与实验测试中的构件尺寸相同，可以更好的将仿真和实验进行结合对照。
7.根据权利要求1所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，步骤三中的激励信号，选取经Hanning窗调制的四周期正弦函数为激励信号，中心频率为8kHz。
8.根据权利要求1所述的轻材点阵夹芯结构高频动态响应测试方法，其特征在于，所述含有脱开耦合点的脱焊损伤为含有一个脱焊点、多个脱焊点的多种损伤形式。
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