CN112129813A - 一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法。属于损伤检测技术领域，该方法主要包括以下步骤：在结构件上布局压电传感阵列；分别在初始状态与当前测试状态下，对不同状态下的结构件响应信号进行多次采集；对采集到的不同状态下的结构件响应信号进行相关运算，得到状态参数，提取损伤特征因子；根据结构件上损伤特征因子的位置排布规律，按照特征因子连线规则，对损伤特征因子进行连接，完成结构件损伤的位置、范围以及走向的大致判定。本发明主要实现了损伤发生几起发展趋势的初步判定，有利于给予结构件维修人员直观的修护指导，同时也为结构件状态监测人员提供损伤发展预测依据。

Description

一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法

技术领域

本发明涉及一种损伤评估方法，尤其涉及一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法。

背景技术

随着风力发电的不断发展，风力发电在为地处偏远、环境恶劣的地区带来便利的同时，风力发电伴随的问题也随之而来，由于风力发电机安装的地区自然条件较为恶劣，所以风力发电机叶片在正常工作时，具有一定速度的飞行物体在碰撞到风机叶片之后，就有很大可能在风机叶片上造成裂纹或者局部断裂，这样的损伤如果不能被及时检查出来，就有很大可能性在风力发电机日后的工作中埋下隐患，而这些隐患在往后非常容易造成风力发电机的严重损毁，这将使得人民生命财产安全遭受不可估计的损失。所以对结构存在损伤的位置，范围，走向进行判定就成了至关重要的工作。

在目前的风力发电机叶片无损检测领域中，有着很多的检测方法。主要方法如：红外检测法、超声波检测法、射线检测法、磁粉检测法、涡流检测法。然而对于这些方法来说，要不就是检测结果比较容易受到环境要素的影响，要不就是检测条件较为复杂，难以做到实时在线监测。例如，红外检测技术，其检测原理主要是根据结构件损伤前后的导热性不同来进行检测的，这样一来，就只能在实验室这样的较理想环境下来进行检测，而在户外便容易受到复杂环境因素的作用，从而得不到较为可靠的检测结果；射线检测技术由于受设备体积大，费用高，检测实时性不强等因素的影响，也较难实现现场检测。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，可以实现对结构件的在线无损监测，同时可以为结构件维修人员直观地提供损伤位置与损伤范围，也为结构件状态监测人员提供损伤发展预测依据。

为了实现上述目的，所采取的技术方案为：一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，包括以下步骤

S1在待测结构件上划分监测单元，在每一监测单元上设置用于发射激励信号的激励压电片和用于响应信号的响应接收压电片，一个激励压电片对应一个或多个响应压电片；

S2分别在结构件初始状态和当前测试状态下，控制激励压电片产生激励信号，检测所述响应压电片的响应信号并采集所述响应信号；

S3将响应接收压电片在结构件初始状态与当前测试状态下所采集到的响应信号进行相关运算，得到状态参数，根据所述状态参数得到相应响应接收压电片附近的损伤特征因子；

S4根据S3计算每一响应接收压电片对应的损伤特征因子，根据结构件上损伤特征因子的位置排布规律，依据损伤特征因子连线规则，对损伤特征因子进行连接，得到结构件损伤判定。

初始状态为结构件未经受过任何损伤时候的健康状态。

进一步的，所述监测单元在所述待测结构件上的布置规则为：将待测结构件划分为若干正方形格子区域，每一正方形格子对应一个监测单元，每一监测单元对应一个激励压电片，激励压电片置于正方形格子的中心位置，在正方向格子的四个角位置均设置相应接收压电片。

进一步的，以监测单元为单位，依次控制激励压电片产生激励信号，相对应的响应接收压电片接收响应信号，至完成所有监测单元响应信号的采集。

进一步的，状态参数计算方法为：

以结构件在初始状态下检测的响应信号作为对照组，以结构件测试状态下检测的响应信号作为测试组，将初始状态定义为：结构件未经受过任何损伤时候的健康状态，对每一响应接收压电片在初始状态下进行n次信号检测，所述对照组内的数据包括P₁(t)、P₂(t)……P_n(t)；

在测试状态下进行m次信号检测，测试组检测数据包括：E₁(t)、E₂(t)……E_m(t)a获取所需响应接收压电片的自相关系数组S

将响应接收压电片在初始状态下的响应信号数据两两带入互相关函数中，获得对照组自相关系数组S，所述自相关系数组S内为S_k的集合，其中

其中，i=1，2，…，n-1;j=i+1，i+2，…，n;

n为对照组中信号数据的数量，P_i(t)为响应接收压电片在初始状态下第i次的检测数据，P_j(t)为响应接收压电片在初始状态下第j次的检测数据，T为对照组中每个信号数据的有效时间；

b获得所需响应接收压电片测试组、对照组互相关系数组M

将测试组E中的响应信号数据与对照组P中的响应信号数据两两带入互相关函数中，获得测试组、对照组互相关系数组M

在该公式中，i＝1，2，...m；j＝1，2，...n；h＝1，2，...m×n，E_i(t)为响应接收压电片在测试状态下第i次的检测数据，P_j(t)为响应接收压电片在初始状态下第j次的检测数据，T为信号数据的有效时间；

c通过对照组自相关系数组S得到对照组自相关系数S′，通过测试组、对照组互相关系数组M，得到一个测试组、对照组互相关系数M′；

d通过对照组自相关系数S′和测试组、对照组互相关系数M′得到所需响应接收压电片的状态参数State

State＝|M′-S′|。

进一步的，将自相关系数组S中较小的20％的系数和较大的20％的系数去除，对剩下的60％的系数取平均值，得到一个对照组自相关系数S′；将对照组、测试组互相关系数组M中较小的20％的系数和较大的20％的系数去除，对剩下的60％的系数取平均值，互相关系数M′。

进一步的，将所述状态参数与基准值进行比较，当状态参数大于基准值时，相应的响应接收压电片与对应的激励发射压电片之间存在损伤，利用损伤特征因子表示，所述损伤特征因子为响应接收压电片与对应的激励发射压电片之间连线的中心位置。

进一步的，所述基准值为0.9。

进一步的，步骤S4中连线步骤为

a第一连线规则，将置于同一监测单元内的损伤特征因子连接，并完成所有监测单元内损伤特征因子的连线；

b第二连线规则，将待测结构件通过十字相交的行线和列线划分为若干格子单元区域，所述响应接收压电片分布在行线和列线的交点上，激励压电片置于格子单元的中心位置；将置于相邻监测单元的损伤特征因子进行连线，监测到损伤的响应接收压电片置于同一行和同一列；

c第三连线规则，将相邻监测单元的两个损伤特征因子，如果它们对应的响应接收压电片置于同一行并且各自的响应接收压电片置于相邻列，或者对应的响应接收压电片行相邻并且响应接收压电片列相同，则将它们进行连接；

d第四连线规则：在对损伤特征因子进行连接的过程中，先执行第一连线规则，将同一个监测单元内所有损伤特征因子进行连接，再执行第二连线规则和第三连线规则，完成本单元与相邻单元内相关的损伤特征因子的连接，然后依次遍历待测结构件上所有监测单元，完成第一条到第三条连线规则的操作。

进一步的，在第一连线规则中，相连的两个损伤特征因子对应的响应接收压电片需要置于同一行或同一列。

进一步的，所述结构件损伤判定包括损伤位置、范围和走向的判定。

本发明所产生的有益效果包括：本发明中的方法对裂纹损伤的位置，影响范围进行了直观的判定，同时对该损伤的发展方向提供了可靠的预估依据。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明实施例中传感器的布置及命名示意图；

图3是本发明实施例中将在不同状态下，1号监测单元的A1响应接收压电片采集到的响应信号分别放入两个数据组中的示意图；

图4是本发明实施例中获取对照组自相关系数组与测试组、对照组互相关系数组的过程示意图；

图5是本发明实施例中存在损伤的结构件示意图；

图6是本发明实施例中结构件上所有损伤特征因子分布示意图；

图7是本发明实施例中连线规则流程示意图；

图8是本发明实施例中连线规则第一条的示意图；

图9是本发明实施例中连线规则第二条的示意图；

图10是本发明实施例中连线规则第三条的示意图；

图11是本发明实施例中对损伤判定的标号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

本发明涉及一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，有利于给予结构件维修人员直观的修护指导，同时也为结构件状态监测人员提供损伤发展预测依据，具有较强的实际应用意义。

如图1所示，是本发明方法的流程图，包括如下步骤：

步骤一、在结构件上按照压电片布局规则，对压电片进行布置和编号。

本发明实施例所采用的试验结构件为玻璃纤维增强塑料，在进行试验时，首先将结构件需进行监测的区域进行划分，使之划分成为由多个正方形构成的区域，在每一个正方形的四个角安装压电片，利用其作为响应接收传感器，在每一个正方形的几何中心上安装压电片，利用其作为激励发射器。

如图2所示，在图中，圆形用于表示激励发射压电片，而矩形用于表示响应接收压电片。每一个监测单元均由单元中心的一个激励发射压电片和单元四角的四个响应接收压电片构成。作为激励发射传感器的压电片编号就是该所在监测单元的编号，从数字1开始往后编号。然后用字母A、B、C……对响应接收压电片所在行进行行编号。用数字1、2、3……对作为响应接收压电片所在列进行列编号。将每一个响应接收压电片所在行的行编号和其所在列的列编号进行结合，以“响应接收压电片行编号+响应接收压电片列编号”这样的命名规则为每一个响应接收压电片编号。

步骤二、分别在初始状态与当前测试状态下，对每一个接收压电片进行结构件响应信号多次采集。

结构件响应信号的采集需要首先利用监测单元中央的激励发射压电片作为激励源，再通过同一监测单元周围的响应接收压电片分别对同一结构件初始状态下的响应信号与当前测试状态下的响应信号进行多次采集。然后将采集到的数据根据“单元号+响应接收压电片编号+结构件状态+第几次采样”，这样的编号规则给采集到的结构件响应进行编号。比如在结构件初始状态下，对于在1号监测单元的A1响应接收压电片第1次采集到的信号就可以命名为：1-A1-P1。以清楚是哪个监测单元内哪个压电片在什么状态下第几次采样接收到的响应信号。

以结构件上的每一个监测单元为基础，再重复上述步骤，依次对结构件上每一个监测单元内响应接收压电片附近的结构件响应信号进行采集。

在初始状态下，每一个监测单元内每一响应接收压电片进行n次信号采集，在测试状态下，每一个监测单元内每一响应接收压电片进行m次信号采集。

步骤三、对采集到的不同状态下的结构件响应信号进行相关运算，得到状态参数，从而提取到结构件上的所有损伤特征因子。

根据初始状态、当前测试状态这两个状态，将同一个监测单元内同一个响应接收压电片采集到的响应信号数据分成对照组与测试组两个数据组。

以1号监测单元内A1响应接收压电片所采集到的响应信号为例，如图3所示，将在不同状态下，1号监测单元的A1响应接收压电片采集到的响应信号分别放入P和E这两个数据组中。若在初始状态和测试状态下，该响应接收压电片均采集了10次数据，则P和E这两个数据组均包含了10个数据，P数据组内包含了P₁(t)、P₂(t)……P₁₀(t)，E数据组中为E₁(t)、E₂(t)……E₁₀(t)。

对照组P中的响应信号数据两两带入互相关函数中，获得对照组自相关系数组S。

其中，i＝1，2，...n-1；j＝i+1，i+2，...n；

n为对照组中信号数据的数量。P_i(t)为响应接收压电片在初始状态下第i次的采集数据，P_j(t)为响应接收压电片在初始状态下第j次的采集数据。T为P(t)对照组中每个信号数据的有效时间。S为对照组自相关系数组，用于反应P(t)对照组中任意两个信号数据的相关度。S为S_k的集合，包含S₁、S₂、S₃……S_k，其中

将测试组E中的响应信号数据与对照组P中的响应信号数据两两带入互相关函数中，获得测试组、对照组互相关系数组M，M为M_h的集合，包含了M₁、M₂、M₃......M_h。

在该公式中，i＝1，2，...m；j＝1，2，...n；h＝1，2，...m×n。其中m为测试组中信号数据的数量，n为对照组中信号数据的数量。E(t)为测试组，P(t)为对照组，E_i(t)为响应接收压电片在测试状态下第i次的检测数据，P_j(t)为响应接收压电片在初始状态下第j次的检测数据，T为每个信号数据的有效时间。M为测试组、对照组互相关系数组，用于反应E(t)测试组与P(t)对照组中任意两个信号数据的相关度。公式(1)与公式(2)的具体步骤可由图4形象表达。

将对照组自相关系数组S中较小的20％的系数和较大的20％的系数去除，对剩下的60％的系数取平均值，最终得到一个对照组自相关系数S′。对测试组、对照组互相关系数组M也做同样的处理，得到一个测试组、对照组互相关系数M′。

State＝|M′-S′|

(3)

其中，M′为测试组、对照组互相关系数。S′为对照组自相关系数。State为表征结构件状态的状态参数，通过其值的大小可以了解到该单元中，进行响应信号采集的压电片附近是否存在损伤。即当State值大于基准值时(基准值范围一般在0.9以下，具体数值根据对象、条件以及监测单元范围最终确定)，可以判定1号检测单元中激励发射压电片与A1响应接收压电片之间存在着损伤，利用损伤特征因子1-A1来表示。

依据上述方法计算所有响应接收压电片在其所对应的相应监测单元内的损伤因子。

结构件状态参数主要是对响应接收压电片在不同状态下采集到的结构件响应信号进行上述步骤的处理来进行提取的。依次对结构件上每一个响应接收压电片在不同状态下采集到的结构件响应信号进行以上步骤的处理，从而获取到结构件上所有响应接收压电片附近的状态参数；根据结构件状态参数与基准值的差值大小，便可以了解到哪个单元内，哪个传感器附近存在损伤，从而便可以根据“单元号+响应接收压电片行号+响应接收压电片列号”这样的编号规则，为损伤特征因子编号。

如图5所示，为存在损伤的结构件示意图，通过步骤三，可以得到如图6所示的损伤特征因子在损伤判定图中的位置，其中所有损伤特征因子的命名分别为：1-B2、2-A2、2-A3、2-B3、4-B3、4-C3、4-C2、3-B2。

步骤四、根据结构件上损伤特征因子的位置排布规律，依据特征因子连线规则，对损伤特征因子进行连接，完成结构件损伤的位置、范围以及走向的大致判定。图7为连线规则总流程图。

第一连线规则如下：对于在损伤特征因子编号中单元号相同的两个损伤特征因子，依次判断它们损伤特征因子编号中响应接收压电片行编号或者响应接收压电片列编号是否相同，若相同，则将它们进行连接。否则不进行连接。依据第一连线规则，可以将相同监测单元内的损伤特征因子连接。如图8所示，在第2单元中对损伤特征因子2-A2、2-A3、2-B3进行了连接，在第4单元中对损伤特征因子4-B3、4-C3、4-C2进行了连接。

第二连线规则如下：对于单元号不相同的两个损伤特征因子，如果单元位置相邻，再判断它们损伤特征因子编号中响应接收压电片行编号以及列编号是否均相同，若相同，则将它们进行连接。否则不进行连接。依据第二连线规则，可以将两相邻单元公共传感器附近损伤特征因子连接。如图9所示，对处于第2单元与第4单元的邻接处的2-B3、4-B3两个损伤特征因子进行了连接。对处于第1单元与第3单元的邻接处的1-B2、3-B2两个损伤特征因子进行了连接。

第三连线规则如下：对于单元位置相邻的两个损伤特征因子，如果它们损伤特征因子编号中响应接收压电片行编号相同并且响应接收压电片列编号相邻，或者编号中响应接收压电片行编号相邻并且响应接收压电片列编号相同，则将它们进行连接。否则不进行连接。依据第三连线规则，可以找出斜跨两个监测单元的损伤。如图10所示，对1-B2、2-A2两个损伤特征因子进行了连接。对4-C2、3-B2两个损伤特征因子进行了连接。

第四连线规则如下：以每个监测单元为基本单位，先依据第一规则完成本单元内所有损伤特征因子的连接，再按照第二、第三规则完成本单元与相邻单元间相关损伤特征因子的连接。按照单元编号继续对下一监测单元执行同样操作，直到完成对结构件上所有监测单元的遍历。依据第四连线规则，使得连线效率得以提升。根据以上所述损伤特征因子连线规则，最终便可以实现结构件损伤的位置、范围以及走向的大致判定。

如图11所示，进行过这一系列的损伤特征因子连接，最终得到损伤的位置、范围以及走向的大致判定。通过这一系列的损伤判定图，可以直观地展示出在结构件上的哪些位置存在损伤，该损伤影响的范围是多大，从而给维护人员提供了直观的维护指导。同时观察图10中的各损伤判定图走向，2号和4号有着横向发展的趋势，而3号和6号有着纵向发展的趋势，剩下的1号和5号有着倾斜发展的趋势。这些都可以为结构件状态监测人员直观地提供损伤发展预测的可靠依据。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤

S1在待测结构件上划分监测单元，在每一监测单元上设置用于发射激励信号的激励压电片和用于响应信号的响应接收压电片，一个激励压电片对应一个或多个响应压电片；

S2分别在结构件初始状态和当前测试状态下，控制激励压电片产生激励信号，检测所述响应压电片的响应信号并采集所述响应信号；

S3将响应接收压电片在结构件初始状态与当前测试状态下所采集到的响应信号进行相关运算，得到状态参数，根据所述状态参数得到相应响应接收压电片附近的损伤特征因子；

S4根据S3计算每一响应接收压电片对应的损伤特征因子，根据结构件上损伤特征因子的位置排布规律，依据损伤特征因子连线规则，对损伤特征因子进行连接，得到结构件损伤判定。

2.根据权利要求1所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，所述监测单元在所述待测结构件上的布置规则为：将待测结构件划分为若干正方形格子区域，每一正方形格子对应一个监测单元，每一监测单元对应一个激励压电片，激励压电片置于正方形格子的中心位置，在正方向格子的四个角位置均设置相应接收压电片。

3.根据权利要求1所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，以监测单元为单位，依次控制激励压电片产生激励信号，相对应的响应接收压电片接收响应信号，至完成所有监测单元响应信号的采集。

4.根据权利要求1所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，状态参数计算方法为：

以结构件在初始状态下检测的响应信号作为对照组，以结构件测试状态下检测的响应信号作为测试组，对每一响应接收压电片在初始状态下进行n次信号检测，所述对照组内的数据包括P₁(t)、P₂(t)……P_n(t)；

在测试状态下进行m次信号检测，测试组检测数据包括：E₁(t)、E₂(t)……E_m(t)a获取所需响应接收压电片的自相关系数组S

将响应接收压电片在初始状态下的响应信号数据两两带入互相关函数中，获得对照组自相关系数组S，所述自相关系数组S为S_k的集合，其中

其中，i＝1，2，…n-1；j＝i+1，i+2，…n；

n为对照组中信号数据的数量，P_i(t)为响应接收压电片在初始状态下第i次的检测数据，P_j(t)为响应接收压电片在初始状态下第j次的检测数据，T为对照组中每个信号数据的有效时间；

b获得所需响应接收压电片测试组、对照组互相关系数组M

将测试组E中的响应信号数据与对照组P中的响应信号数据两两带入互相关函数中，获得测试组、对照组互相关系数组M

在该公式中，i＝1，2，...m；j＝1，2，...n；h＝1，2，...m×n，E_i(t)为响应接收压电片在测试状态下第i次的检测数据，P_j(t)为响应接收压电片在初始状态下第j次的检测数据，T为信号数据的有效时间；

c通过对照组自相关系数组S得到对照组自相关系数S′，通过测试组、对照组互相关系数组M，得到一个测试组、对照组互相关系数M′；

d通过对照组自相关系数S′和测试组、对照组互相关系数M′得到所需响应接收压电片的状态参数State

State＝|M′-S′|。

5.根据权利要求4所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，将自相关系数组S中较小的20％的系数和较大的20％的系数去除，对剩下的60％的系数取平均值，得到一个对照组自相关系数S′；将对照组、测试组互相关系数组M中较小的20％的系数和较大的20％的系数去除，对剩下的60％的系数取平均值，互相关系数M′。

6.根据权利要求1所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，将所述状态参数与基准值进行比较，当状态参数大于基准值时，相应的响应接收压电片与对应的激励发射压电片之间存在损伤，利用损伤特征因子表示，所述损伤特征因子为响应接收压电片与对应的激励发射压电片之间连线的中心位置。

7.根据权利要求6所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，所述基准值为0.9。

8.根据权利要求1所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，步骤S4中连线步骤为

a第一连线规则，将置于同一监测单元内的损伤特征因子连接，并完成所有监测单元内损伤特征因子的连线；

b第二连线规则，将待测结构件通过十字相交的行线和列线划分为若干格子单元区域，所述响应接收压电片分布在行线和列线的交点上，激励压电片置于格子单元的中心位置；将置于相邻监测单元的损伤特征因子进行连线，相连的两个损伤特征因子对应的响应接收压电片为同一个响应接收压电片，相连的两个损伤特征因子对应的响应接收压电片为相连的两个损伤特征因子所在监测单元共用的响应接收压电片；

c第三连线规则，将相邻监测单元的两个损伤特征因子，如果它们对应的响应接收压电片置于同一行并且各自的响应接收压电片置于相邻列，或者对应的响应接收压电片行相邻并且响应接收压电片列相同，则将它们进行连接；

d第四连线规则：在对损伤特征因子进行连接的过程中，先执行第一连线规则，将同一个监测单元内所有损伤特征因子进行连接，再执行第二连线规则和第三连线规则，完成本单元与相邻单元内相关的损伤特征因子的连接，然后依次遍历待测结构件上所有监测单元，完成第一条到第三条连线规则的操作。

9.根据权利要求8所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，在第一连线规则中，相连的两个损伤特征因子对应的响应接收压电片需要置于同一行或同一列。

10.根据权利要求1所述的基于结构损伤特征因子连线规则的损伤评估方法，其特征在于，所述结构件损伤判定包括损伤位置、范围和走向的判定。

Images