一种基于分形维数的复合材料结构件裂纹损伤监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合材料结构健康监测领域，特别是一种基于分形维数的复合材料结 构件裂纹损伤监测方法。
【背景技术】
[0002] 基于风机叶片、航空器机翼等重大设备健康监测的实际需求，结构健康监测已实 际开展于复合材料结构件损伤检测中，而损伤识别是结构损伤评估与控制的先决条件。由 于复合材料结构铺层复杂，呈现明显的呈层性和各向异性，目前成熟有效的损伤监测方法 相对较少，尤其缺乏大面积、不规则结构的损伤监测手段。在现有结构健康监测研宄中，基 于压电传感器和主动导向波的结构健康监测方法因为对结构里的裂纹、脱层等小损伤敏感 而成为一种有效的结构损伤监测方法。Lamb波能在结构中传播很长的距离，非常适合监测 像风机叶片这样的大面积复合材料结构，但Lamb波具有频散性和复杂的模态转换现象，较 难对其进行分析解释，复合材料的各向异性又进一步加剧了这种困难。此外，由于Lamb波 不可避免会受到多干扰源和强噪声影响而成为弱信号，所以迫切需要研宄更加有效的先进 信号处理与损伤特征提取方法以精确识别出损伤。
【发明内容】
[0003] 针对上述部分问题，本发明提供了一种基于分形维数的复合材料结构件裂纹损伤 监测方法，对结构损伤给出更有效和直观的评估。
[0004] 一种基于分形维数的复合材料结构件裂纹损伤监测方法，所述方法通过分别获得 基准状态和损伤状态的复合材料结构件上形成的相同数目的多个正弦窄带Lamb波信号的 分形维数，对获得的分形维数利用概率重构方法获得多张损伤概率子层析谱图；通过对多 张所述损伤概率子层析谱图进行叠加得到全层析谱图，从所述全层析谱图中能够得到所述 复合材料结构件裂纹损伤的区域范围；所述基准状态为复合材料结构件上没有受到损伤的 状态。
[0005] 本发明实现了复合材料结构件的损伤层析成像，通过有效的分形维数损伤指标有 效地识别了所述结构件裂纹损伤所在位置的区域范围。
【附图说明】
[0006] 图1为信号激励-接收原理示意图；
[0007] 图2为本发明的一个实施例中的激励-接收传感阵列布置示意图；
[0008] 图3(a)~图3(b)为不同盒尺寸分形维数计数方法示意图；
[0009] 图4(a)~图4(h)为分别以Pl~P8作为激励点，计算得到的子层析图像；
[0010] 图5为所有路径叠加计算的全层析图像。
【具体实施方式】
[0011] 在一个基础实施例中，提供了一种基于分形维数的复合材料结构件裂纹损伤监测 方法，所述方法通过分别获得基准状态和损伤状态的复合材料结构件上形成的相同数目的 多个正弦窄带Lamb波信号的分形维数，对获得的分形维数利用概率重构方法获得多张损 伤概率子层析谱图；通过对多张所述损伤概率子层析谱图进行叠加得到全层析谱图，从所 述全层析谱图中能够得到所述复合材料结构件裂纹损伤的区域范围；所述基准状态为复合 材料结构件上没有受到损伤的状态。
[0012] 在这个基础实施例中介绍了获取复合材料结构件裂纹损伤的区域范围的原理，只 要能够获得复合材料结构件上形成的正弦窄带Lamb波信号的分形维数，进而用概率重构 的方法获得损伤概率子层析谱图，通过对子层析谱图的叠加即可得到能够看出裂纹损伤区 域范围的全层析谱图。在这里要求所获得的正弦窄带Lamb波在没有受到损伤时的基准状 态和受到损伤的损伤状态下分别获得，并且要求产生和接收的Lamb波在基准状态和损伤 状态的位置、功率、米样频率均相同，在两种状态下 对应。
[0013] 在一个实施例中，通过在所述复合材料结构件上部署3个压电式传感器组成的阵 列，并依次以第i个压电式传感器作为激励器，剩余的其它压电式传感器作为接收器，规定 由此构成产生和接收正弦窄带Lamb波的第i条路径；图1为信号激励-采集原理示意图，。
[0014] 在另一个实施例中，通过试验验证，当激励-接收传感阵列中传感器至少为8个时 可以达到良好的监测效果，其激励-接收传感阵列布置示意图如图2所示。规定第i个传 感器产生的信号，其它传感器接收信号时所形成的信号为第i条路径产生的信号，并且要 求在基准状态和损伤状态下信号产生位置和每个接收位置均相同。
[0015] 在一个实施例中，应用概率重构的方法如下：
【主权项】
1. 一种基于分形维数的复合材料结构件裂纹损伤监测方法，其特征在于，所述方法 通过分别获得基准状态和损伤状态的复合材料结构件上形成的相同数目的多个正弦窄带 Lamb波信号的分形维数，对获得的分形维数利用概率重构方法获得多张损伤概率子层析谱 图；通过对多张所述损伤概率子层析谱图进行叠加得到全层析谱图，从所述全层析谱图中 能够得到所述复合材料结构件裂纹损伤的区域范围；所述基准状态为复合材料结构件上没 有受到损伤的状态。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，所述方法通过在所述复合材料结 构件上部署至少3个压电式传感器组成的阵列，并依次以第i个压电式传感器作为激励器， 剩余的其它压电式传感器作为接收器，由此构成产生和接收正弦窄带Lamb波的第i条路 径。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在基准状态和损伤状态的复合材料结构 件上部署的传感器位置相同。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述概率重构方法为：
式中，P (X，y)表示位于监测位置（X，y)处的损伤概率，N是监测路径总数；Pi (X，y)是 第i条路径中复合材料结构件损伤监测位置（X，y)存在概率的估计值。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第i条路径中复合材料结构件损伤监 测位置（X，y)存在概率Pi (X，y)的计算式为：
式中，M广是距离参数，β是控制有效椭圆分布区域的尺度参数，DIi是损伤指标，所述 损伤指标用于评估第i条路径上信号改变量度。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述尺度参数β的范围为：1 < β < 1. 1〇
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述距离参数的计算式为：
式中，a为起激励作用的传感器，s为起接收作用的传感器，（x，y)为监测位置， 为起激励作用的传感器的位置，（4，夂）为起接收作用的传感器的位置。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述损伤指标DI i的计算式为：
式中，Dm是复合材料结构件在基准状态下获得的第i条路径下的正弦窄带Lamb波信 号的分形维数，Dm是复合材料结构件在损伤状态下获得的第i条路径下的正弦窄带Lamb 波信号的分形维数。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法能够获得所述区域范围的中心 位置坐标。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正弦窄带Lamb波的激励频率根据复 合材料结构件厚度与材料特性所计算的频率-传播速度频散曲线，从而选定不产生高阶模 式的激励频率。
【专利摘要】本发明公开了一种基于分形维数的复合材料结构件裂纹损伤监测方法，其特征在于，所述方法通过分别获得基准状态和损伤状态的复合材料结构件上形成的相同数目的多个正弦窄带Lamb波信号的分形维数，对获得的分形维数利用概率重构方法获得多张损伤概率子层析谱图；通过对多张所述损伤概率子层析谱图进行叠加得到全层析谱图，从所述全层析谱图中能够得到所述复合材料结构件裂纹损伤的区域范围；所述基准状态为复合材料结构件上没有受到损伤的状态。本方法能有效实现复合材料结构件损伤监测，损伤监测指标敏感、精度高，具有较好的工程应用价值。
【IPC分类】G01N29-44
【公开号】CN104730152
【申请号】CN201510174690
【发明人】陈雪峰, 李想, 杨志勃, 田绍华
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月13日