CN115753998A - 用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法及监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，包括步骤：(1)在待监测的飞行器复合材料结构表面按多簇‑分布式阵列结构布设传感器网络；(2)采用传感器网络进行实时导波信号的激励与采集，对所采集的导波时域信号进行滤波处理；(3)采用虚拟波束成型方法分别对滤波处理后的导波信号进行延迟‑叠加处理，获取N个单簇子阵列单元的延迟‑叠加输出信号，得到N个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵，将N个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵叠加，即可得到待监测的飞行器复合材料结构的损伤成像，从而确定待监测的飞行器复合材料结构的损伤位置等。本发明的监测方法能够对服役环境下飞行器复合材料结构损伤进行实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器损伤监测技术领域，具体涉及一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法及监测系统。
背景技术
高比强度和高比模量的复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛，其主要应用于机身、机翼蒙皮等主承力部件，可以在保证结构完整性的同时有效提高运载效率，已成为衡量航空航天结构先进性的一个重要标志。
航空航天所用的复合材料结构是一种典型的复合材料异型截面结构形式。此类复杂的复合材料结构保障了结构的承载效率，但同时给一体化制造带来困难，制造过程中难免产生孔洞、间隙等初始缺陷，且在后续服役过程中，不仅要承受很高的热应力和热应变，还要承载由于内部压力及外载荷引起的机械应力和机械应变，可能导致复合材料的结构性能退化。而且复合材料结构损伤多样且隐秘，可能导致难以预见的突发性破坏，存在安全隐患。因此，亟需开展服役状态下飞行器复合材料结构损伤实时监测。
目前，应用于复合材料结构状态监测的手段主要有光纤、声发射、机械阻抗、超声导波等。其中，基于主被动的超声导波结构健康监测技术具有监测面积大、效率高、可检测多种损伤类型、可离线或在线监测等优点；且超声导波不仅可以用于监测结构中腐蚀、疲劳损伤和裂纹损伤，监测螺栓松动等连接状态，还可以监测胶层破坏和脱粘。但是，国内外针对基于超声导波的复合材料结构健康监测技术的研究和应用大多停留在地面实验，使用的仪器设备体积较大，连线复杂，且未考虑到复杂在役环境(如噪声等)的影响，不适用于服役环境下的飞行器复合材料结构的损伤实时监测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法及监测系统。
本发明所采用的技术方案是：
一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，包括如下步骤：
(1)在待监测的飞行器复合材料结构表面按多簇-分布式阵列结构布设传感器网络，所布设的传感器网络包括呈阵列排布的N个单簇子阵列单元，且每个单簇子阵列单元均包括位于1个中心的激励压电传感器及M个围绕中心激励压电传感器排布的接收压电传感器；
(2)采用步骤(1)所布设的传感器网络进行实时导波信号的激励与采集，且N个单簇子阵列单元依次工作，共采集N组导波时域信号，N组导波信号共包含N*M条导波时域信号，对所采集的导波时域信号进行滤波处理；
(3)采用虚拟波束成型方法分别对步骤(2)滤波处理后的N组导波信号进行延迟-叠加处理，获取N个单簇子阵列单元的延迟-叠加输出信号，得到N个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵，将N个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵叠加，即可得到待监测的飞行器复合材料结构的损伤成像，从而确定待监测的飞行器复合材料结构的损伤位置。
进一步地，所述步骤(1)所布设的传感器网络中，相邻两个所述单簇子阵列单元之间的间距不超过1m。
进一步地，所述步骤(1)所布设的传感器网络中，所述单簇子阵列单元中每个接收压电传感器与激励压电传感器的距离为10～30mm。
进一步地，所述步骤(1)所布设的传感器网络中，单簇子阵列单元的数量N≥4，每个单簇子阵列单元中接收压电传感器的数量M≥4。
进一步地，所述步骤(2)中导波信号的激励、采集及滤波处理的步骤具体为：
(21)依次对N个单簇子阵列单元的激励压电传感器施加电激励信号，且激励信号为经过Hanning窗调制的中心频率为f的有效窄带信号，然后单簇子阵列单元的接收压电传感器接收所传播的导波时域信号；
(22)通过傅里叶变换将所采集的导波时域信号转换为导波频域信号，并提取中心频率为f的窄带信号，实现信号滤波，获得滤波后的导波频域信号；
(23)通过傅里叶逆变换将滤波后的导波频域信号转换为导波时域信号，即可获得N*M条滤波后的导波时域信号Hnm(t)。
进一步地，所述步骤(3)中每个单簇子阵列单元的延迟-叠加输出信号zn(t)为：
其中，t为时间，Δnm为延迟时间，wnm为权系数。
本发明还提供一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测系统，包括：
中央控制单元，用于控制导波信号的产生与发出、激励与接收、采集与存储、处理与诊断；
信号发生单元，包括波形发生器，用于导波信号的产生及发出；
信号激励及接收单元，包括呈阵列排布的N个单簇子阵列单元，且每个单簇子阵列单元均包括位于1个中心的激励压电传感器及M个围绕中心激励压电传感器排布的接收压电传感器，用于导波信号的激励及接收；
信号采集单元，用于采集信号激励及接收单元中的压电传感器接收的导波信号；
数据存储单元，用于存储信号采集单元所采集的导波信号；
无线通讯单元，用于中央控制单元与信号发生单元、信号激励及接收单元、信号采集单元的无线通讯连接；
能源供给单元，用于为监测系统提供所需电源。
进一步地，所述信号发生单元与信号激励及接收单元中的激励压电传感器电连接，所述信号采集单元与信号激励及接收单元中的接收压电传感器电连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所提供的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，对传感器网络布设方式进行优化，使传感器以多簇-分布式阵列结构进行排布，可实现飞行器复合材料结构的能量全聚焦，即实现该结构全面积损伤识别，适用于大面积复合材料结构的多损伤识别及定位，克服了传统密集型传感器阵列检测范围有限及传统分布式传感器阵列需布设整个复合材料结构的局限；
(2)本发明所提供的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，传感器以多簇-分布式阵列结构进行排布，可减少传感器的布设数量，且线路布设简单，适用于对服役环境下的飞行器复合材料结构损伤进行监测；
(3)本发明所提供的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，通过对导波信号进行时域信号-频域信号转换及滤波处理，还能排除飞行器服役过程中因复合材料结构自然振动及噪声因素造成的信号干扰。
附图说明
图1为本发明的监测方法的流程图；
图2为本发明的单簇子阵列单元的布设示意图；
图3为本发明的传感器网络的布设示意图；
图4为一条滤波后的导波时域信号图；
图5为采用本发明的监测方法所获得的飞行器复合材料结构的损伤成像图；
图6为超声扫描得到的飞行器复合材料结构的损伤成像图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法及监测系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本实施例提供一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，包括步骤：
(1)在待监测的飞行器复合材料结构表面按多簇-分布式阵列结构布设传感器网络，所布设的传感器网络包括呈阵列排布的N个单簇子阵列单元，优选单簇子阵列单元的数量N≥4，本实施例中单簇子阵列单元的数量N＝4；且每个单簇子阵列单元均包括位于1个中心的激励压电传感器及M个围绕中心激励压电传感器排布的接收压电传感器，优选每个单簇子阵列单元中接收压电传感器的数量M≥4，本实施例中M＝8；上述传感器网络布设方式具体如图2、图3所示；
另外，上述步骤(1)所布设的传感器网络中，相邻两个所述单簇子阵列单元之间的间距不超过1m，本实施例中，间距为0.8m；上述单簇子阵列单元中每个接收压电传感器与激励压电传感器的距离为10～30mm，本实施例中接收压电传感器与激励压电传感器的距离为20mm；
上述传感器网络布设方式需保证其检出覆盖率不小于95％。
(2)采用步骤(1)所布设的传感器网络进行实时导波信号的激励与采集，且N个单簇子阵列单元依次工作，共采集4组导波时域信号，4组导波信号共包含N*M(4*8＝32)条导波时域信号，对所采集的导波时域信号进行滤波处理，具体为：
(21)依次对4个单簇子阵列单元的激励压电传感器施加电激励信号，且激励信号为经过Hanning窗调制的中心频率为f的有效窄带信号，然后单簇子阵列单元的接收压电传感器接收所传播的导波时域信号；
(22)通过傅里叶变换将所采集的导波时域信号转换为导波频域信号，并提取中心频率为f的窄带信号，实现信号滤波，获得滤波后的导波频域信号；
(23)通过傅里叶逆变换将滤波后的导波频域信号转换为导波时域信号，即可获得N*M(4*8＝32)条滤波后的导波时域信号Hnm(t)，其中一条滤波后的导波时域信号如图4所示。
(3)参照图5，采用虚拟波束成型方法分别对步骤(2)滤波处理后的4组导波信号进行延迟-叠加处理，获取4个单簇子阵列单元的延迟-叠加输出信号，得到4个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵，将4个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵叠加，即可得到待监测的飞行器复合材料结构的损伤成像，从而确定待监测的飞行器复合材料结构的损伤位置；
上述步骤(3)具体为：
(31)对飞行器复合材料结构的任意位置点P(x,y)，依次计算每个单簇子阵列单元中每个接收压电传感器相对应的延迟时间Δnm：
其中，r为复合材料结构的任意位置点P(x,y)到单簇子阵列中心原点距离，rm为点P到单簇子阵列的第M个接收压电传感器的距离，c为导波传播波速；
(32)对每个单簇子阵列单元的每条超声导波时域信号Hnm(t)施加对应的延迟时间，并将每个单簇子阵列单元的M条导波信号进行延迟-叠加处理，计算得到任意位置点P(x,y)的每个单簇子阵列单元的延迟-叠加输出信号zn(t)为：
其中，t为时间，wnm为权系数，Δnm为延迟时间；
(33)选取zn(t)的最大值作为点P的像素值，从而得到全结构的每个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵；
(34)将N个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵进行得加，即可得到待监测的飞行器复合材料结构的损伤成像，从而确定待监测的飞行器复合材料结构的损伤位置及损伤大小。
参照图5，通过上述监测方法监测得到3处损伤，并通过损伤成像得到3处损伤的损伤面积。参照图6，利用超声扫描对该飞行器复合材料结构进行扫描，也得到3处损伤，且通过本发明的监测方法所得到的3处损伤的损伤位置与超声扫描得到的3处损伤位置基本重合，两者损伤面积也基本相等，误差小于10％，验证了本发明的监测方法的有效性，说明通过本发明的监测方法能较准确地监测飞行器复合材料结构在服役过程中的损伤状态。
另外，本实施例还提供一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测系统，通过该监测系统能保证上述监测方法的实施。该监测系统包括：
中央控制单元，包括处理器，采用ARM和FPGA双CPU协同，用于控制导波信号的产生与发出、激励与接收、采集与存储、处理与诊断；
信号发生单元，包括波形发生器及功率放大器，用于导波信号的产生、发出及放大，具体可产生不同频率、周期、幅值的导波波形信号；
信号激励及接收单元，包括呈阵列排布的N个单簇子阵列单元，且每个单簇子阵列单元均包括位于1个中心的激励压电传感器及M个围绕中心激励压电传感器排布的接收压电传感器，用于导波信号的激励及接收；且信号激励及接收单元中的激励压电传感器与上述信号发生单元电连接，信号发生单元能够将放大后的信号传送至激励压电传感器。
信号采集单元，信号采集单元与信号激励及接收单元中的接收压电传感器电连接，用于采集信号激励及接收单元中的接收压电传感器接收的导波信号；
数据存储单元，用于存储信号采集单元所采集的导波信号；
无线通讯单元，用于中央控制单元与信号发生单元、信号激励及接收单元、信号采集单元的无线通讯连接，中央控制单元通过无线通讯单元发送相应的控制指令控制信号发生单元、信号激励及接收单元、信号采集单元执行相应的指令，并将数据存储单元所存储的导波信号无线传输至中央控制单元，中央控制单元对数据进行处理；
能源供给单元，用于为监测系统提供所需电源。
上述监测系统中，信号发生单元、信号激励及接收单元、信号采集单元、数据存储单元、无线通讯单元、能源供给单元安装于飞行器待测结构上，中央控制单元具体可采用计算机，安装于地面监控室，并通过无线通讯单元使中央控制单元与信号发生单元、信号激励及接收单元、信号采集单元、数据存储单元实现无线通讯连接。
本实施例所所提供的上述监测系统，能实现飞行器复合材料结构损伤的监测及诊断，并配合上述监测方法，对服役状态的飞行器进行实时监测，及时获取飞行器的受损状态。
本发明中未述及的部分，采用或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在待监测的飞行器复合材料结构表面按多簇-分布式阵列结构布设传感器网络，所布设的传感器网络包括呈阵列排布的N个单簇子阵列单元，且每个单簇子阵列单元均包括位于1个中心的激励压电传感器及M个围绕中心激励压电传感器排布的接收压电传感器；
(2)采用步骤(1)所布设的传感器网络进行实时导波信号的激励与采集，且N个单簇子阵列单元依次工作，共采集N组导波时域信号，N组导波信号共包含N*M条导波时域信号，对所采集的导波时域信号进行滤波处理；
(3)采用虚拟波束成型方法分别对步骤(2)滤波处理后的N组导波信号进行延迟-叠加处理，获取N个单簇子阵列单元的延迟-叠加输出信号，得到N个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵，将N个单簇子阵列单元的损伤像素值矩阵叠加，即可得到待监测的飞行器复合材料结构的损伤成像，从而确定待监测的飞行器复合材料结构的损伤位置。
2.根据权利要求1所述的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，其特征在于，所述步骤(1)所布设的传感器网络中，相邻两个所述单簇子阵列单元之间的间距不超过1m。
3.根据权利要求1所述的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，其特征在于，所述步骤(1)所布设的传感器网络中，所述单簇子阵列单元中每个接收压电传感器与激励压电传感器的距离为10～30mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，其特征在于，所述步骤(1)所布设的传感器网络中，单簇子阵列单元的数量N≥4，每个单簇子阵列单元中接收压电传感器的数量M≥4。
5.根据权利要求1所述的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，其特征在于，所述步骤(2)中导波信号的激励、采集及滤波处理的步骤具体为：
(21)依次对N个单簇子阵列单元的激励压电传感器施加电激励信号，且激励信号为经过Hanning窗调制的中心频率为f的有效窄带信号，然后单簇子阵列单元的接收压电传感器接收所传播的导波时域信号；
(22)通过傅里叶变换将所采集的导波时域信号转换为导波频域信号，并提取中心频率为f的窄带信号，实现信号滤波，获得滤波后的导波频域信号；
(23)通过傅里叶逆变换将滤波后的导波频域信号转换为导波时域信号，即可获得N*M条滤波后的导波时域信号Hnm(t)。
6.根据权利要求1所述的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测方法，其特征在于，所述步骤(3)中每个单簇子阵列单元的延迟-叠加输出信号zn(t)为：
其中，t为时间，Δnm为延迟时间，wnm为权系数。
7.一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测系统，适用于权利要求1-6任一项所述的监测方法，其特征在于，包括：
中央控制单元，用于控制导波信号的产生与发出、激励与接收、采集与存储、处理与诊断；
信号发生单元，包括波形发生器，用于导波信号的产生及发出；
信号激励及接收单元，包括呈阵列排布的N个单簇子阵列单元，且每个单簇子阵列单元均包括位于1个中心的激励压电传感器及M个围绕中心激励压电传感器排布的接收压电传感器，用于导波信号的激励及接收；
信号采集单元，用于采集信号激励及接收单元中的压电传感器接收的导波信号；
数据存储单元，用于存储信号采集单元所采集的导波信号；
无线通讯单元，用于中央控制单元与信号发生单元、信号激励及接收单元、信号采集单元的无线通讯连接；
能源供给单元，用于为监测系统提供所需电源。
8.根据权利要求7所述的一种用于服役环境下飞行器复合材料结构损伤的监测系统，其特征在于，所述信号发生单元与信号激励及接收单元中的激励压电传感器电连接，所述信号采集单元与信号激励及接收单元中的接收压电传感器电连接。
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- 2022-12-07 CN CN202211602596.3A patent/CN115753998A/zh active Pending
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