CN112763349B - 一种复合材料结构冲击损伤的监测方法 - Google Patents
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Abstract
复合材料凭借优异的性能，在航空、高铁、船舶、汽车、风电等领域中的应用越来越广泛，冲击可以使复合材料结构的承载性能大幅下降，冲击损伤是复合材料结构服役安全的主要威胁之一。本发明涉及一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，基于复合材料结构的损伤力学、冲击动力学和图像识别技术，可以实现冲击物的识别、冲击能量估算、冲击损伤定位、冲击损伤程度评估、危险预警等功能，成本低，适用范围广，能够提高复合材料结构服役过程中的安全性和可靠性，同时有利于实现装备服役过程中损伤信息的在线收集和网联汇总，为复合材料结构的优化设计提供数据支持，促进复合材料结构的工程应用和装备智能化的发展。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料结构损伤的实时测量与评估，尤其涉及一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，属于新材料、智能制造技术领域。
背景技术
复合材料具有密度低，比强度和比模量高，可设计性强，阻尼特性好，疲劳性能好，耐腐蚀等优点，在航空、高铁、船舶、汽车、风电等领域中的应用越来越广泛，飞机、火车、轮船、汽车等装备中的复合材料结构越来越多，如何保障这些复合材料结构的服役安全是急需解决的工程难题。国内外的研究表明冲击可以使复合材料结构的承载性能大幅下降，是服役安全的主要威胁之一。碎石冲击、冰雹、工具冲击等是常见的冲击工况，目前针对复合材料结构冲击损伤在线监测的方法较少。图像识别是一种最接近人眼的观测技术，将其应用于复合材料结构的冲击损伤监测中，具有非常广阔的应用前景。
发明内容
1、发明目的：
本发明的目的在于提供一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，实现冲击物的识别、冲击能量估算、冲击损伤定位、冲击损伤程度评估、危险预警等功能，保障复合材料结构服役过程中的安全可靠。
2、技术方案：
一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，所述方法是基于复合材料结构的损伤力学、冲击动力学和图像识别技术，涉及的零部件和系统包括：复合材料结构、冲击物、摄像头、冲击物识别和定位模块、光源控制系统、紫外光发射器、损伤区、冲击损伤识别系统、损伤评估及预警系统。
一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、使用直径为12.7mm的钢制锤头对多个复合材料结构件进行不同能量的冲击试验和仿真模拟，获得冲击能量、冲击凹坑深度、损伤面积之间的关系，以回弹结束后凹坑深度为2.0mm与板厚度值中的最小值为凹坑深度阈值，此时对应的冲击能量值为冲击能量阈值ET，冲击损伤面积为冲击损伤面积阈值AT；
步骤S2、使用带有深度测量功能的摄像头，实时拍摄复合材料结构表面以及复合材料结构上方的图像，并对拍摄的图像进行处理，处理方法如下：首先，将图像进行灰度化处理，方法为Gray＝0.35R+0.49G+0.16B，其中Gray为灰度值，R、G、B分别代表红、绿、蓝色，这与以往的灰度化公式都不同，本公式中加大了红色和蓝色的系数，这样做是为了使灰度化图像对紫色更加敏感，提高对紫色的辨识度，同时引入峰值信噪比与平均结构相似性对图像质量进行实时监测与评估；然后，用高斯滤波器对灰度图进行平滑降噪处理，模板中每个元素gij由下式确定，k是模板的半径，降噪处理的过程即是模板与图像进行卷积的过程：
其次，利用梯度算子求取降噪后的图像梯度，并计算相应的梯度方向和幅值，下式给出了计算x和y方向梯度的模板：
Angle＝arctan(Gy/Gx)
再次，对梯度图像进行非最大值抑制处理，将梯度简化到水平、竖直、±45°方向区间，沿梯度方向比较，若为最大幅值则保留，否则置零，即只有沿梯度方向的最大幅值会被保留，也就是将非边缘点剔除掉；最后，使用自适应的双阈进行去噪和连接边缘，形成边缘图像，如果边缘像素的梯度值高于高阈值，则将其标记为强边缘像素；如果边缘像素的梯度值小于高阈值并且大于低阈值，则将其标记为弱边缘像素，进而搜寻全部邻域，若邻域内存在强边缘像素，则该像素标记为强边缘，否则标记为弱边缘；如果边缘像素的梯度值小于低阈值，则会直接被抑制，至此完成图像的处理，后续的所有图片的处理方法都采用此法；
步骤S3、对处理后的图像进行连续比较，下一帧图像与上一帧图像比对，当发现复合材料结构上方出现物体时，即认为出现冲击外来物，对冲击物进行轮廓识别和尺寸测量，分别以冲击物在X、Y、Z轴方向的最大长度作为直径计算得到三个球形体积，三个球形体积之和的三分之一近似为冲击物的体积V，该体积乘以2.65g/cm3得到冲击物的重量，对其进行跟踪，通过图像识别得到冲击物的运动速度，进而求得冲击能量E，如果冲击能量E大于等于冲击能量阈值ET，冲击损伤评估及预警系统将发出警报信号，如果冲击能量E小于冲击能量阈值ET，则进入步骤S4；
步骤S4、发现冲击物后，连续拍摄冲击的过程，冲击结束后，对复合材料结构表面的图像进行处理和分析，识别出冲击损伤区的位置，对损伤区域轮廓及面积进行初步估算；
步骤S5、将冲击位置的信息传输给光源控制系统，光源控制系统控制紫外光发射器发射波长为315～400nm的紫外线，对冲击损伤区进行照射，然后摄像头对冲击损伤区进行拍摄，拍摄完成后即可关闭紫外灯光，因为步骤S2中的图像处理方法可以带来对紫色识别更加敏感的技术效果，所以对经过紫外线照射后的损伤区域进行图像识别的效果会更好，损伤的轮廓和裂纹识别的精度更高，通过损伤识别系统的对比分析，进而更加准确地得到复合材料结构的冲击凹坑深度、损伤面积的信息；
步骤S6、冲击损伤识别系统将冲击能量、冲击位置、冲击凹坑深度、损伤面积信息传输给损伤评估及预警系统，记录损伤信息，并对损伤进行评级，根据评级进行预警决策和维修决策，通过仪表、显示器或警示灯进行结果显示；
当出现新的冲击事件的时候，重复上述步骤即可；当出现多个冲击物体同时冲击的情况，分别对冲击物、冲击损伤区进行识别，若某一冲击物的冲击能量、冲击凹坑深度、冲击损伤面积达到阈值，则执行危险预警。
所述摄像头，具有角度调节功能，根据需要调整拍摄的角度，便于冲击物的识别和跟踪，摄像头的数量根据复合材料结构的尺寸进行增加，对于厚度超过5mm的复合材料结构，增加平行于厚度方向的摄像头以获取厚度方向的变形信息。
所述紫外光发射器，具有角度调节功能，根据需要调整光束的角度，对于具有多层次裂纹的损伤区，进行多次不同角度的紫外我照射和摄像头拍摄操作，以获取轮廓特征更完整的图像。
3、本发明“一种复合材料结构冲击损伤的监测方法”，其优点如下：
(1).本发明成本低，适用范围广，可以应用于飞机、高铁、船舶、汽车、风力发电叶片、工程机械等装备中复合材料结构的冲击损伤监测；
(2).可以提高复合材料结构的安全性和可靠性，避免突然断裂造成的事故发生，进而提高设备的安全性；
(3).可以提高装备的智能化程度，有利于实现装备服役过程中损伤信息的在线收集和网联汇总，为复合材料结构的优化设计提供数据支持。
总之，本发明可以实现装备中复合材料结构冲击损伤的在线监测和预警，有助于复合材料结构的故障诊断和安全评估，为轻量化的复合材料结构的服役提供安全保障，促进复合材料结构和装备智能化的发展。
附图说明
结合附图，通过对下述非限定性优选实施例的描述，可以更好地理解本发明；
图1是本发明的实施系统组成示意图；
图2是本发明的实施步骤流程图；
图1中符号说明如下：1-复合材料结构、2-冲击物、3-摄像头、4-冲击物识别和定位模块、5-光源控制系统、6-紫外光发射器、7-损伤区、8-冲击损伤识别系统、9-损伤评估及预警系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：
如附图1所示，本发明一种复合材料结构冲击损伤的监测方法涉及的零部件和系统包括：复合材料结构1、冲击物2、摄像头3、冲击物识别和定位模块4、光源控制系统5、紫外光发射器6、损伤区7、冲击损伤识别系统8、损伤评估及预警系统9。
如附图2所示，本发明一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，包括以下步骤：
步骤S1、使用直径为12.7mm的钢制锤头对多个复合材料结构件进行不同能量的冲击试验和仿真模拟，获得冲击能量、冲击凹坑深度、损伤面积之间的关系，以回弹结束后凹坑深度为2.0mm与板厚度值中的最小值为凹坑深度阈值，此时对应的冲击能量值为冲击能量阈值ET，冲击损伤面积为冲击损伤面积阈值AT；
步骤S2、使用带有深度测量功能的摄像头3，实时拍摄复合材料结构表面以及复合材料结构上方的图像，并对拍摄的图像进行处理，处理方法如下：首先，将图像进行灰度化处理，方法为Gray＝0.35R+0.49G+0.16B，其中Gray为灰度值，R、G、B分别代表红、绿、蓝色，这与以往的灰度化公式都不同，本公式中加大了红色和蓝色的系数，这样做是为了使灰度化图像对紫色更加敏感，提高对紫色的辨识度，同时引入峰值信噪比与平均结构相似性对图像质量进行实时监测与评估；然后，用高斯滤波器对灰度图进行平滑降噪处理，模板中每个元素gij由下式确定，k是模板的半径，降噪处理的过程即是模板与图像进行卷积的过程：
其次，利用梯度算子求取降噪后的图像梯度，并计算相应的梯度方向和幅值，下式给出了计算x和y方向梯度的模板：
Angle＝arctan(Gy/Gx)
再次，对梯度图像进行非最大值抑制处理，将梯度简化到水平、竖直、±45°方向区间，沿梯度方向比较，若为最大幅值则保留，否则置零，即只有沿梯度方向的最大幅值会被保留，也就是将非边缘点剔除掉；最后，使用自适应的双阈进行去噪和连接边缘，形成边缘图像，如果边缘像素的梯度值高于高阈值，则将其标记为强边缘像素；如果边缘像素的梯度值小于高阈值并且大于低阈值，则将其标记为弱边缘像素，进而搜寻全部邻域，若邻域内存在强边缘像素，则该像素标记为强边缘，否则标记为弱边缘；如果边缘像素的梯度值小于低阈值，则会直接被抑制，至此完成图像的处理，后续的所有图片的处理方法都采用此法；
步骤S3、对处理后的图像进行连续比较，下一帧图像与上一帧图像比对，当发现复合材料结构1上方出现物体时，即认为出现冲击外来物，对冲击物2进行轮廓识别和尺寸测量，分别以冲击物2在X、Y、Z轴方向的最大长度作为直径计算得到三个球形体积，三个球形体积之和的三分之一近似为冲击物的体积V，该体积乘以2.65g/cm3得到冲击物的重量，对其进行跟踪，通过图像识别得到冲击物的运动速度，进而求得冲击能量E，如果冲击能量E大于等于冲击能量阈值ET，冲击损伤评估及预警系统9将发出警报信号，如果冲击能量E小于冲击能量阈值ET，则进入步骤S4；
步骤S4、发现冲击物2后，连续拍摄冲击的过程，冲击结束后，对复合材料结构1表面的图像进行处理和分析，识别出冲击损伤区7的位置，对损伤区域轮廓及面积进行初步估算；
步骤S5、将冲击位置的信息传输给光源控制系统5，光源控制系统5控制紫外光发射器6发射波长为315～400nm的紫外线，对冲击损伤区7进行照射，然后摄像头3对冲击损伤区7进行拍摄，拍摄完成后即可关闭紫外灯光，因为步骤S2中的图像处理方法可以带来对紫色识别更加敏感的技术效果，所以对经过紫外线照射后的损伤区域进行图像识别的效果会更好，损伤的轮廓和裂纹识别的精度更高，通过损伤识别系统8的对比分析，进而更加准确地得到复合材料结构1的冲击凹坑深度、损伤面积的信息；
步骤S6、冲击损伤识别系统将冲击能量、冲击位置、冲击凹坑深度、损伤面积等信息传输给损伤评估及预警系统，记录损伤信息，并对损伤进行评级，根据评级进行预警决策和维修决策，通过仪表、显示器或警示灯进行结果显示；
当出现新的冲击事件的时候，重复上述步骤即可；当出现多个冲击物体同时冲击的情况，分别对冲击物、冲击损伤区进行识别，若某一冲击物的冲击能量、冲击凹坑深度、冲击损伤面积达到阈值，则执行危险预警。
本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、使用直径为12.7mm的钢制锤头对多个复合材料结构件进行不同能量的冲击试验和仿真模拟，获得冲击能量、冲击凹坑深度、损伤面积之间的关系，以回弹结束后凹坑深度为2.0mm与板厚度值中的最小值为凹坑深度阈值，此时对应的冲击能量值为冲击能量阈值ET，冲击损伤面积为冲击损伤面积阈值AT；
步骤S2、使用带有深度测量功能的摄像头，实时拍摄复合材料结构表面以及复合材料结构上方的图像，并对拍摄的图像进行处理，处理方法如下：首先，将图像进行灰度化处理，方法为Gray＝0.35R+0.49G+0.16B，其中Gray为灰度值，R、G、B分别代表红、绿、蓝色，这与以往的灰度化公式都不同，本公式中加大了红色和蓝色的系数，这样做是为了使灰度化图像对紫色更加敏感，提高对紫色的辨识度，同时引入峰值信噪比与平均结构相似性对图像质量进行实时监测与评估；然后，用高斯滤波器对灰度图进行平滑降噪处理，模板中每个元素gij由下式确定，k是模板的半径，降噪处理的过程即是模板与图像进行卷积的过程：
其次，利用梯度算子求取降噪后的图像梯度，并计算相应的梯度方向和幅值，下式给出了计算x和y方向梯度的模板：
Angle＝arctan(Gy/Gx)
再次，对梯度图像进行非最大值抑制处理，将梯度简化到水平、竖直、±45°方向区间，沿梯度方向比较，若为最大幅值则保留，否则置零，即只有沿梯度方向的最大幅值会被保留，也就是将非边缘点剔除掉；最后，使用自适应的双阈进行去噪和连接边缘，形成边缘图像，如果边缘像素的梯度值高于高阈值，则将其标记为强边缘像素；如果边缘像素的梯度值小于高阈值并且大于低阈值，则将其标记为弱边缘像素，进而搜寻全部邻域，若邻域内存在强边缘像素，则该像素标记为强边缘，否则标记为弱边缘；如果边缘像素的梯度值小于低阈值，则会直接被抑制，至此完成图像的处理，后续的所有图片的处理方法都采用此法；
步骤S3、对处理后的图像进行连续比较，下一帧图像与上一帧图像比对，当发现复合材料结构上方出现物体时，即认为出现冲击外来物，对冲击物进行轮廓识别和尺寸测量，分别以冲击物在X、Y、Z轴方向的最大长度作为直径计算得到三个球形体积，三个球形体积之和的三分之一近似为冲击物的体积V，该体积乘以2.65g/cm3得到冲击物的重量，对其进行跟踪，通过图像识别得到冲击物的运动速度，进而求得冲击能量E，如果冲击能量E大于等于冲击能量阈值ET，冲击损伤评估及预警系统将发出警报信号，如果冲击能量E小于冲击能量阈值ET，则进入步骤S4；
步骤S4、发现冲击物后，连续拍摄冲击的过程，冲击结束后，对复合材料结构表面的图像进行处理和分析，识别出冲击损伤区的位置，对损伤区域轮廓及面积进行初步估算；
步骤S5、将冲击位置的信息传输给光源控制系统，光源控制系统控制紫外光发射器发射波长为315～400nm的紫外线，对冲击损伤区进行照射，然后摄像头对冲击损伤区进行拍摄，拍摄完成后即可关闭紫外灯光，因为步骤S2中的图像处理方法可以带来对紫色识别更加敏感的技术效果，所以对经过紫外线照射后的损伤区域进行图像识别的效果会更好，损伤的轮廓和裂纹识别的精度更高，通过损伤识别系统的对比分析，进而更加准确地得到复合材料结构的冲击凹坑深度、损伤面积的信息；
步骤S6、冲击损伤识别系统将冲击能量、冲击位置、冲击凹坑深度、损伤面积信息传输给损伤评估及预警系统，记录损伤信息，并对损伤进行评级，根据评级进行预警决策和维修决策，通过仪表、显示器或警示灯进行结果显示；
当出现新的冲击事件的时候，重复上述步骤即可；当出现多个冲击物体同时冲击的情况，分别对冲击物、冲击损伤区进行识别，若某一冲击物的冲击能量、冲击凹坑深度、冲击损伤面积达到阈值，则执行危险预警。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，其特征在于：所述方法是基于复合材料结构的损伤力学、冲击动力学和图像识别技术，涉及的零部件和系统包括：复合材料结构、冲击物、摄像头、冲击物识别和定位模块、光源控制系统、紫外光发射器、损伤区、冲击损伤识别系统、损伤评估及预警系统。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，其特征在于：所述摄像头，具有角度调节功能，根据需要调整拍摄的角度，便于冲击物的识别和跟踪，摄像头的数量根据复合材料结构的尺寸进行增加，对于厚度超过5mm的复合材料结构，增加平行于厚度方向的摄像头以获取厚度方向的变形信息。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，其特征在于：所述紫外光发射器，具有角度调节功能，根据需要调整光束的角度，对于具有多层次裂纹的损伤区，进行多次不同角度的紫外我照射和摄像头拍摄操作，以获取轮廓特征更完整的图像。
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