一种准静态未知时变载荷下结构损伤的自适应定位方法技术

本发明专利技术公开了一种准静态未知时变载荷下结构损伤的自适应定位方法，首先在结构上布置压电和应变传感器；其次，在多级载荷下，采集多通道的兰姆波信号，通过优化求解提取各级载荷下各通道对应的幅值和相位因子；基于径向基插值模型建立载荷与兰姆波补偿因子之间的函数关系；再次，在结构加载过程中，保持兰姆波信号和应变信号的实时采集，以及载荷的实时辨识；当相邻时刻采集的兰姆波信号能量差超出阈值时，根据辨识载荷进行基准信号的自适应补偿借助交替时间反转相位合成成像方法，进行实时损伤定位。本发明专利技术通过提出一种兰姆波信号自适应补偿的策略，实现载荷未知状态下结构损伤的准确定位，具有精度高、稳定度好、实用性强的特点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种准静态未知时变载荷下结构损伤的自适应定位方法


[0001]本专利技术涉及一种准静态未知时变载荷下结构损伤的自适应定位方法，属于载荷未知状态下结构内在状态的辨识技术，特别涉及基于实测兰姆波信号和应变信号，构建基于实时辨识载荷的兰姆波信号的自适应补偿策略，同时结合损伤成像方法，为结构损伤状态辨识和实时安全性评估提供可靠数据和模型支持。

技术介绍

[0002]载荷环境影响下的薄壁结构中用于损伤空间特征辨识的兰姆波信号传播机理复杂，载荷的时变性和多向性的耦合作用使得服役载荷形式与主动式兰姆波信号间缺少可辨析的映射模型，使得复杂服役环境下结构未知损伤的辨识准确度差、可信度低。实时采集的传感信息是结构状态监测的前提。然而，现有损伤定位方法通常无法满足服役载荷作用下的结构状态监测需求。根据传感信息的分类，现有研究中损伤位置辨识的信息源可分为振动信号、光纤光栅信号和波动信号。由于模态信息属于结构的固有特性，因此模态类方法在工程中得到了广泛应用。利用振动信号辨识损伤位置的代表方法之一是动力指纹方法，常用的监测响应有常用的动力指纹有结构固有频率、位移模态振型、应变模态振型、模态振型曲率、模态应变能等。尽管上述模态类信号不受载荷影响，但是在结构损伤状态未知时无法利用局部测点，进行全场信息重构，因此不具备损伤准确定位的能力。光谱信号仅对附近的损伤敏感，且易受载荷变化的影响，因此辨识范围和能力受限。
[0003]由于薄壁结构中的兰姆波对损伤灵敏和传播距离长，因此其具备面向真实航空结构的应用前景。在离线检测状态下，结合压电主动式传感器阵列目前已有多种损伤定位方法包括延迟累加成像、时反聚焦成像、损伤概率成像、空间波数滤波器成像等方法这些方法可以整体分为基于稀疏阵和基于密集阵的兰姆波损伤成像方法，其基本原理是利用压电传感器阵列中多个弹性波激励
‑
传感通道的监测信息，通过控制阵列合成机制增强损伤影响，以实现损伤定位。然而不同于离线状态下的稳定载荷状态，服役环境中结构载荷的大范围变化，严重影响结构损伤诊断方法的可靠性。为了充分考虑载荷环境产生的影响，环境参数补偿方法和无基准成像方法得到了应用。前者首先获取某个载荷环境参数下，传感器信号及损伤特征的基准或建立其物理模型，并结合实测环境参数对基准信号进行补偿。后者在不使用任何基准信号的情况下提取损伤散射信号，以避免其受到载荷环境变化的影响，使用限制较多。然而现有研究中针对外部载荷对兰姆波信号的影响分析过少，并且在利用兰姆波进行损伤定位时，尚未考虑过载荷是无法实施准确获取的，更无法实现载荷变化状态下损伤的自适应准确诊断。因此，实现未知载荷下的兰姆波信号的动态稳定补偿，建立时变环境中的结构损伤自适应成像技术，对于实际结构的安全性在线精细化评估具有显著的现实意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：克服传统损伤成像方法在载荷未知状态下精度低、可
靠性差的问题，将实时载荷辨识和兰姆波信号自适应补偿结合，提供一种准静态未知时变载荷下结构损伤的自适应定位方法，实现载荷未知状态下结构损伤的准确定位，具有精度高、稳定度好、实用性强的优点。
[0005]本专利技术技术解决方案：一种准静态未知时变载荷下结构损伤的自适应定位方法，其特点在于：步骤如下：
[0006]第一步：针对飞行器薄壁结构，以覆盖监测区域为原则，按照阵列的方式布置m个压电传感器，以及布置n个表面应变传感器；同时确定压电传感器接收到的电压信号的变化阈值GV；
[0007]第二步：在载荷范围[F
min
,F
max
]，F
min
,F
max
分别为最小和最大的值，确定载荷区间ΔF，共k级载荷，由m个压电传感器组成的激励和传感通道数记为记为指从给定m个数的元素中仅仅取出2个数的元素，选定激励频率ω
c
，以激励频率ω
c
为中心频率，形成5波峰窄带正弦激励信号u(t)，在载荷取F
min
时，测量该兰姆波对应的波包，即激励信号u(t)沿各个方向的传播速度V
g
(θ)，θ表示兰姆波的传播方向和水平方向之间的夹角；当载荷分别取[F
min
,F
min
+ΔF,F
min
+2ΔF,
…
,F
max
]时，进行通道CH1,
…
,CH的兰姆波激励与接收，接收到的信号集合为[R]；
[0008]第三步：对信号集合[R]中的信号进行香农小波变换，得到对应的信号集合为[ER]；
[0009]第四步：针对通道CH
i
,在第j级载荷下,j＝1,...,k，建立信号与之间的幅值和相位之间的函数关系；
[0010]第五步：建立优化模型，求解第四步中对应于通道CH
i
在第j级载荷下的幅值和相位因子；
[0011]第六步：依次取j＝1,...,k，重复执行第四步和第五步，直到各级载荷下所有通道的幅值因子和相位因子均求解完毕，得到因子矩阵[AP]；
[0012]第七步：在获得的因子矩阵[AP]的基础上，建立面向通道CH
i
的载荷F和幅值与相位因子的函数关系，再遍历所有通道，得到针对所有通道的幅值因子、相位因子与载荷F之间的函数关系AM
i
(F)、
[0013]第八步：在对结构准静态加载过程中，保持各个通道的兰姆波信号连续采集，同时借助实测的应变列向量ε
n
×1(t)＝[ε1,ε2,
…
,ε
n
]T
，进行当前载荷F(t)的辨识，相邻的t时刻和t+1时刻所采集的兰姆波信号之差为ΔR(t)＝R
i
(t+1)
‑
R
i
(t)，当max|ΔR(t)|＜GV时，继续保持上述兰姆波信号采集和载荷辨识，得到应变结果；否则转第九步；
[0014]第九步：针对各个通道CH
i
,以t时刻采集的兰姆波信号为基准信号，记前一时刻与当前时刻辨识出的载荷分别为F(t)和F(t+1)，根据第七步中得到的函数关系，分别计算出AM
i
(F(t))、Δp
i
(F(t)),即从R
i
(t)向R
i
(t+1)变换时，所需要的幅值因子和相位因子，以R
i
(t)为基准信号，补偿得到的当前时刻的兰姆波信号为(t)为基准信号，补偿得到的当前时刻的兰姆波信号为当max|ΔR
i
(t)|＜GV时，转第八步，否则转第十步；
[0015]第十步：以第p个压电传感器为激励传感器，第d个压电传感器为接收传感器的通道为CH
pd
,p＝1,...,m；d＝1,...,p
‑
1,p+1,m，使用香农小波变换获得兰姆波信号对应的时域能量分布依次扫查监测区域中的每个位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种准静态未知时变载荷下结构损伤的自适应定位方法，其特征在于：步骤如下：第一步：针对飞行器薄壁结构，以覆盖监测区域为原则，按照阵列的方式布置m个压电传感器，以及布置n个表面应变传感器；同时确定压电传感器接收到的电压信号的变化阈值GV；第二步：在载荷范围[F
min
,F
max
]，F
min
,F
max
分别为最小和最大的值，确定载荷区间ΔF，共k级载荷，由m个压电传感器组成的激励和传感通道数记为记为指从给定m个数的元素中仅仅取出2个数的元素，选定激励频率ω
c
，以激励频率ω
c
为中心频率，形成5波峰窄带正弦激励信号u(t)，在载荷取F
min
时，测量该兰姆波对应的波包，即激励信号u(t)沿各个方向的传播速度V
g
(θ)，θ表示兰姆波的传播方向和水平方向之间的夹角；当载荷分别取[F
min
,F
min
+ΔF,F
min
+2ΔF,
…
,F
max
]时，进行通道CH1,
…
,CH的兰姆波激励与接收，接收到的信号集合为[R]；第三步：对信号集合[R]中的信号进行香农小波变换，得到对应的信号集合为[ER]；第四步：针对通道CH
i
,在第j级载荷下,j＝1,...,k，建立信号与之间的幅值和相位之间的函数关系；第五步：建立优化模型，求解第四步中对应于通道CH
i
在第j级载荷下的幅值和相位因子；第六步：依次取i＝1,...,j＝1,...,k，重复执行第四步和第五步，直到各级载荷下所有通道的幅值因子和相位因子均求解完毕，得到因子矩阵[AP]；第七步：在获得的因子矩阵[AP]的基础上，建立面向通道CH
i
的载荷F和幅值与相位因子的函数关系，再遍历所有通道，得到针对所有通道的幅值因子、相位因子与载荷F之间的函数关系AM
i
(F)、Δp
i
(F),i＝1,...,第八步：在对结构准静态加载过程中，保持各个通道的兰姆波信号连续采集，同时借助实测的应变列向量ε
n
×1(t)＝[ε1,ε2,
…
,ε
n
]
T
，进行当前载荷F(t)的辨识，相邻的t时刻和t+1时刻所采集的兰姆波信号之差为ΔR(t)＝R
i
(t+1)
‑
R
i
(t)，当max|ΔR(t)|＜GV时，继续保持上述兰姆波信号采集和载荷辨识，得到应变结果；否则转第九步；第九步：针对各个通道CH
i
,i＝1,...,以t时刻采集的兰姆波信号为基准信号，记前一时刻与当前时刻辨识出的载荷分别为F(t)和F(t+1)，根据第七步中得到的函数关系，分别计算出AM
i
(F(t))、Δp
i
(F(t)),i＝1,...,即从R
i
(t)向R
i
(t+1)变换时，所需要的幅值因子和相位因子，以R
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓军，丁旭云，于永波，李豪，王逸飞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：