CN114235971B - 一种基于超声导波的编织复合材料板损伤形状识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的编织复合材料板损伤形状识别方法，具体步骤：S1：通过半解析有限元方法分析得到编织复合材料板上导波传播波速；S2：通过全向波速测量方法测得编织复合材料板上导波传播波速，对半解析有限元模型进行修正，选取适合监测的导波模态和频率；S3：在编织复合材料板上布置导波传感器网络，传感器粘贴于结构表面，设置传播路径，用于损伤监测；S4：获取无损和无损状态下不同传播路径的导波信号，求得不同路径损伤散射信号，利用椭圆加权成像的方法确定损伤中心点；S5：提取真实的损伤反射时差；S6：基于椭圆轨迹预估损伤边界点，去除噪声点；S7：根据损伤边界点预测损伤面积和形状。

Description

一种基于超声导波的编织复合材料板损伤形状识别方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种基于超声导波的编织复合材料损伤形状识别方法。
背景技术
由于具有高强度、尺寸稳定性和设计灵活性等优点，编织复合材料被认为是重要的增强材料，并已应用于铁路、民用和飞机结构等工程领域。编织复合结构在服役期间面临着复杂的化学/物理环境的挑战，损伤的发生和积累可能导致结构的灾难性失效，使结构安全面临严峻挑战。为了获得损伤容限并确保结构安全，必须精确识别损伤的类型、位置、大小和形状。在过去的几十年里，结构健康监测(SHM)被认为是最有潜力的技术之一，需要设计和研究监测算法来获取结构健康状况。
由于优异的波传播能力和高损伤敏感性，基于超声导波的损伤监测技术越来越多地用于结构健康监测领域。基于导波的结构健康监测技术已广泛用于金属和复合结构中的快速损伤检测。为了激励和接收超声导波信号，低成本压电(PZT)换能器越来越多地应用于结构健康监测领域，其具有价格低廉、小尺寸和低功耗的优点。对于结构损伤识别，由于导波传播具有复杂的多模态特性和频散特性，实际应用需要准确获取被检测结构中的导波传播信息。此外，对接收到的导波信号进行准确可靠的分析和处理，对于基于导波的损伤形状识别方法至关重要。传统的损伤识别方法往往只关注于损伤位置的定位，然而损伤大小和形状对于后续的结构安全评价以及复合材料结构设计至关重要，因此需要开发能够多层次损伤识别的算法。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于超声导波的编织复合材料损伤形状识别方法。该方法为了提高编织复合材料板损伤识别方法在实际应用中的可靠性，首先利用半解析有限元方法和全向波速测量方法来获取编织复合材料板上精确的超声导波传播信息；然后，提出了基于超声导波的损伤形状识别算法，可用于编织复合材料板的损伤识别，包括损伤位置、损伤大小和损伤形状。
该方法具体包含以下步骤：
S1:根据材料的密度、弹性模量、泊松比属性，利用半解析有限元方法计算编织复合材料板的群速度随频率变化的频散曲线和随方向变化的曲线；
S2:采用全向波速测量方法获取编织复合材料板中超声导波传播波速，包括不同频率下和不同方向的速度；
S3:采用全向波速测量方法测得的波速修正半解析有限元的模型；
S4:设计传感网络和传播路径，在编织复合材料板上粘贴传感器进行导波的激励和接收，预测损伤中心点的位置；
S5：根据预测的损伤中心点位置计算损伤反射路径预估距离，预估损伤反射时差，根据预估的损伤反射时差提取损伤反射时差；
S6：根据损伤反射时差，基于椭圆轨迹寻求所有的损伤边界点Pm并过滤噪声点；
S7：采用过滤后的损伤边界点进行损伤大小和损伤形状识别，对损伤边界点采用凸包方法绘制多边形，得到的多边形为评估的损伤边界，损伤多边形的面积为评估的损伤大小，多边形的形状为评估的损伤形状。
采用全向波速测量方法获取编织复合材料板中超声导波传播波速，包括不同频率下和不同方向的速度，具体方式为：
采用激励传感器激励超声导波，在编织复合材料板中心位置粘贴用于超声导波激励的圆片型压电传感器作为激励传感器，选取的激励中心频率为f，所激励出的超声导波沿着编织复合材料板面内方向传播；
采用接收传感器接收结构中传播的超声导波，采用移动式超声导波压电传感器作为接收传感器，设定m条接收轨迹(S1，S2…，Sm)，第i条接收轨迹都是以复合材料板中心为原点，以ri为半径的圆弧，每条轨迹移动的角速度相同，提取所测定模态的直达波时间ti(f,θ)，计算在第i条接收轨迹，传播角度为时θ的波速cgi(f,θ)，
当所处的传播角度θ一致时，计算路径的平均波速，
cg(f,θ)即为测量的在频率f和传播角度为θ时的导波传播波速。
提取损伤反射时差的具体方式为：
利用计算的损伤中心点位置DPm(xm,ym)，计算第i条损伤反射路径预估距离Lei
其中，(xtn,ytn)为第i条路径的激励传感器An的位置信息，(xtm,ytm)为第i条路径的激励传感器Sm的位置信息，计算第i条损伤反射路径预估时差TOFen
其中，cgAnD和cgSmD分别为激励传感器An到损伤位置的传播速度和损伤到接收传感器Sm的传播速度，假设选取的导波模态波速随着方向变化较小，呈现准各向同性的性质，因此，式子(4)写成
对接收到的第i条路径上的信号进行希尔伯特变换，获取包络极值得到M个极值点(tmi,PVmi)，根据如下公式提取第i条传播路径上的精确损伤反射时差TOFi，
其中，n为汉宁窗调制激励信号的周期数。
由于采用了上述技术方案，本发明提供了一种基于超声导波的编织复合材料损伤形状识别方法，本发明利用导波传播中遇到损伤点产生反射的特性，根据提取的精确损伤反射时差来确定损伤反射点的位置，从而进行损伤大小和损伤形状的判别，具体优点有如下三个方面：
(1)通过半解析有限元及其修正模型可以快速、准确地获取超声导波在编织复合材料板中的传播信息；
(2)基于移动式超声导波传感器，提出了一种可以测量全方位导波传播波速的全向波速测量方法，具有接收传感器性能一致性、经济性和可维护结构完整性等优点；
(3)在精确提取损伤反射时差的基础上，提出了基于超声导波的编织复合材料损伤形状识别算法，不仅可以实现编织复合材料损伤形状的识别，还可以评估损伤的位置和大小。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图；
图2为全向波速测量方法具体实施方案图；
图3为中心频率为80kHz的A0模态波速随方向变化的曲线图；
图4为监测传感器网络布置图；
图5为传播路径设置图；
图6为预测的损伤中心点位置；
图7为编织复合材料板损伤识别；
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的基于超声导波的编织复合材料损伤形状识别方法，具体包括以下步骤：
S1.对编织复合材料板在厚度方向进行有限元离散，根据材料属性(密度、弹性模量、泊松比)，利用半解析有限元方法计算编织复合材料板的群速度随频率变化的频散曲线和随方向变化的曲线。
S2.采用全向波速测量的方法获取编织复合材料板中超声导波传播波速，包括不同频率下和不同方向的速度，具体地：
采用激励传感器激励超声导波，采用接收传感器接收结构中传播的超声导波；在编织复合材料板中心位置粘贴一个圆片型压电传感器作为激励传感器、用于超声导波激励，选取的激励中心频率为f，所激励出的超声导波沿着编织复合材料板面内方向传播；采用移动式超声导波压电传感器作为接收传感器，设定m条接收轨迹(S1，S2…，Sm)，第i条接收轨迹都是以复合材料板中心为原点，以ri为半径的圆弧，每条轨迹移动的角速度相同。提取所测定模态的直达波时间ti(f,θ)，计算在第i条接收轨迹，传播角度为时θ的波速cgi(f,θ)，
当所处的传播角度θ一致时，可以计算路径的平均波速，
cg(f,θ)即为测量的在频率f和传播角度为θ时的导波传播波速。
S3.将全向波速测量方法测得的波速去修正半解析有限元的模型。
S4.设计传感网络和传播路径，共有p个传感器，p×(p-1)条传播路径，在编织复合材料板上粘贴传感器进行导波的激励和接收，利用椭圆加权成像的定位算法，获取损伤中心点的位置DPm(xm,ym)。
S5.提取精确的损伤反射时差，具体地，
利用计算的损伤中心点位置DPm(xm,ym)，计算第i条损伤反射路径预估距离Lei
其中，(xtn,ytn)为第i条路径的激励传感器An的位置信息，(xtm,ytm)为第i条路径的激励传感器Sm的位置信息，计算第i条损伤反射路径预估时差TOFen,
其中，cgAnD和cgSmD分别为激励传感器An到损伤位置的传播速度和损伤到接收传感器Sm的传播速度。这里假设选取的导波模态波速随着方向变化较小，呈现准各向同性的性质，因此，式子(4)可以写成
对接收到的第i条路径上的信号进行希尔伯特变换，获取包络极值，得到M个极值点(tmi,PVmi)。最后根据如下公式提取第i条传播路径上的精确损伤反射时差TOFi，
其中，n为汉宁窗调制激励信号的周期数。
S6：基于椭圆轨迹寻求所有的损伤边界点Pm，具体地
损伤边界点的坐标为(xd,yd)，第i条损伤反射路径距离Li如下
可以定义Np个椭圆轨迹，如下
其中，Np＝p×(p-1)。然后假设预估损坏中心位置(DPm(xm,ym))作为损伤区域的内部点。假设到点DPm(xm,ym)到椭圆轨迹距离d最短的点为损伤边界的一点，可以得到Np个损伤边界点。
S7.进一步的，采用密度聚类的方法过滤噪声点。
S8.进一步的，采用过滤后的损伤边界点进行损伤大小和损伤形状识别，对损伤边界点采用凸包方法绘制多边形，得到的多边形为评估的损伤边界，损伤多边形的面积为评估的损伤大小，多边形形状为评估的损伤形状。
实施例：按照图1所示流程，进行损伤识别。本实施例中所监测的T700 12k编织复合材料板铺层方式为[0/90/0/90/0/90]，具体步骤如下：
首先，本实施例编织复合材料板尺寸为450mm×450mm×3mm，材料参数为E1＝56GPa,E2＝55GPa,E3＝8.7GPa,G12＝G13＝G23＝4GPa,ν12＝0.042,ν23＝0.34，密度为1577.8kg/m3；
根据上述参数通过半解析有限元方法可以求出编织复合材料板上传播的导波模态波速，然后通过全向波速测量方法测得不同频率下的导波传播波速，利用测量的波速与半解析有限元方法预测的波速进行对比，从而修正半解析有限元模型。如图2所示，为全向波速测量方法具体实施方案图，由于对称性，只需要测量0-90°方向的导波传播波速；
半解析有限元预测结果与全向波速测量方法测出的波速值对比如图3所示，得到了很好的一致性，图3为中心频率为80kHz的A0模态波速随方向变化的曲线图。图3显示A0模态波速随方向变化差别很小，可以近似认为波速随各个方向是不变的，因此选取激励中心频率80kHz和A0模态进行形状识别；
接下来，在编织复合材料板上安装传感器，选用的传感器类型为压电(PZT)传感器，传感器网络如图4所示，一共粘贴10个传感器，监测区域范围为200mm×200mm。传播路径如图5所示，每一个传感器都作为激励传感器和接收传感器，共有90条传播路径；
在无损伤情况下，经过通过在压电传感器施加选定频率下汉宁窗调制的五周期正弦信号激励导波信号，导波信号沿着复合材料板面内方向进行传播，接收传感器接收导波直达波信号，接收到的无损导波信号在软件系统上显示和存储；
在有损伤情况下，经过通过在压电传感器施加选定频率下汉宁窗调制的五周期正弦信号激励导波信号，导波信号沿着复合材料板面内方向进行传播，接收传感器接收导波直达波信号，接收到有损导波信号在软件系统上显示和存储；
将相同路径的有损和无损信号相减，得到所有路径损伤散射信号，然后利用椭圆加权成像的定位算法预测损伤中心点DPm。预测的损伤中心点位置如图6所示，真实的损伤中心点位置为(0.32,0.278)，预测结果与真实损伤结果误差很小；
利用计算的损伤中心点位置，计算所有的损伤反射路径预估距离，然后计算损伤反射路径预估时差；
对传播路径上的损伤散射信号进行希尔伯特变换，获取包络极值，得到M个极值点，提取所有传播路径上的精确损伤反射时差TOFi；
基于椭圆轨迹寻求所有的损伤边界点，对损伤边界点采用密度聚类的方法过滤噪声点；
采用过滤后的损伤边界点进行损伤大小和损伤形状识别，对损伤边界点采用凸包方法绘制多边形，得到的多边形为评估的损伤边界，损伤多边形的面积为评估的损伤大小，多边形形状为评估的损伤形状。如图7所示，实线表示真实的损伤边界，虚线表示预测的损伤边界；
分析可得，真实损伤面积Aact＝0.0013m2，预测的损伤面积Aest＝0.0012m2，损伤大小评估误差在0.0001m2。引入Jaccard相似系数来评估形状识别精度，求得的Jaccard相似系数为0.7747，该结果表明预测的损伤形状与真实损伤形状具有较高的相似度。
以上所述，仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于超声导波的编织复合材料板损伤形状识别方法，其特征在于，包括：
S1:根据材料的密度、弹性模量、泊松比属性，利用半解析有限元方法计算编织复合材料板的群速度随频率变化的频散曲线和随方向变化的曲线；
S2:采用全向波速测量方法获取编织复合材料板中超声导波传播波速，包括不同频率下和不同方向的速度；
S3:采用全向波速测量方法测得的波速修正半解析有限元的模型；
S4:设计传感网络和传播路径，在编织复合材料板上粘贴传感器进行导波的激励和接收，预测损伤中心点的位置；
S5：根据预测的损伤中心点位置计算损伤反射路径预估距离，预估损伤反射时差，根据预估的损伤反射时差提取损伤反射时差；
S6：根据损伤反射时差，基于椭圆轨迹寻求所有的损伤边界点Pm并过滤噪声点；
S7：采用过滤后的损伤边界点进行损伤大小和损伤形状识别，对损伤边界点采用凸包方法绘制多边形，得到的多边形为评估的损伤边界，损伤多边形的面积为评估的损伤大小，多边形的形状为评估的损伤形状；
提取损伤反射时差的具体方式为：
利用计算的损伤中心点位置DPm(xm,ym)，计算第i条损伤反射路径预估距离Lei
其中，(xtn,ytn)为第i条路径的激励传感器An的位置信息，(xtm,ytm)为第i条路径的激励传感器Sm的位置信息，计算第i条损伤反射路径预估时差TOFen
其中，cgAnD和cgSmD分别为激励传感器An到损伤位置的传播速度和损伤到接收传感器Sm的传播速度，假设选取的导波模态波速随着方向变化较小，呈现准各向同性的性质，因此，式子(4)写成
对接收到的第i条路径上的信号进行希尔伯特变换，获取包络极值得到M个极值点(tmi,PVmi)，根据如下公式提取第i条传播路径上的精确损伤反射时差TOFi，
其中，n为汉宁窗调制激励信号的周期数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，采用全向波速测量方法获取编织复合材料板中超声导波传播波速，包括不同频率下和不同方向的速度，具体方式为：
采用激励传感器激励超声导波，在编织复合材料板中心位置粘贴用于超声导波激励的圆片型压电传感器作为激励传感器，选取的激励中心频率为f，所激励出的超声导波沿着编织复合材料板面内方向传播；
采用接收传感器接收结构中传播的超声导波，采用移动式超声导波压电传感器作为接收传感器，设定m条接收轨迹(S1，S2…，Sm)，第i条接收轨迹都是以复合材料板中心为原点，以ri为半径的圆弧，每条轨迹移动的角速度相同，提取所测定模态的直达波时间ti(f,θ)，计算在第i条接收轨迹，传播角度为时θ的波速cgi(f,θ)，
当所处的传播角度θ一致时，计算路径的平均波速，
cg(f,θ)即为测量的在频率f和传播角度为θ时的导波传播波速。
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