【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于结构健康监测领域，具体涉及一种结构的冲击定位及成像方法。
技术介绍
1、薄壁圆筒结构被广泛应用于管道、压力容器和飞机机身等工程，其自身结构的安全性和稳定性至关重要。然而，这类结构在运输和使用等过程中会不可避免地遭受外部冲击事件的作用，例如维修工具掉落、冰雹、碎石等，可能会严重损害结构的安全性和稳定性。发展薄壁圆筒结构的冲击定位技术来估计损伤可能出现的位置，进而及时对结构进行诊断和维修，可以最大程度地保障结构的安全性和完整性并降低维护成本。
2、目前，面向薄壁圆筒结构的冲击定位方法的研究较少，许等于2013年提出了基于传感器信号功率的两步法来确定冲击位置，该方法首先计算结构上每个位置的传感器的信号功率，并通过插值方法获得整个传感器所围区域的功率分布面，然后找到其中功率密度较大区域的重心点，作为冲击位置的初始估计点，最后通过多个传感器重构力误差最小化得到最终的冲击位置和载荷时间历程。此外，guo等于2023年提出采用三种机器学习模型，包括集成学习的梯度提升决策树(gbdt)模型、卷积神经网络(cnn)模型和基于深度学习的双向长短期记忆(blstm)模型来反向识别冲击载荷的力峰值和位置。上述方法都能够较好的识别冲击位置，但是要么需要在监测区域上划分大量训练点构建传递函数，要么需要获取大量训练点上的冲击信号进行特征提取，导致其消耗较多的时间和人力成本，难以适用于实际工程应用。
3、对此，基于现有技术的短板及工程应用的需求，亟需一种更为准确、快速、直观且易实现的冲击定位及成像方法对薄壁圆筒结构的冲击损
技术实现思路
1、为解决上述现有技术中对于薄壁圆筒结构的冲击定位方法需要采用大量训练点获取信号响应、操作复杂、难以用于工程应用等不足之处中的至少一项，本专利技术提供一种面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，该方法包括步骤：
2、步骤s100：定义薄壁圆筒结构的理论切割线位置，建立三维的第一笛卡尔坐标系，布置多个传感器并标记每个传感器在所述第一笛卡尔坐标系的第一坐标；步骤s200，相对所述理论切割线建立平面的第二笛卡尔坐标系并进行从所述第一笛卡尔坐标系的第一坐标向所述第二笛卡尔坐标系的第二坐标进行转换；步骤s310，基于所述第二笛卡尔坐标系的第二坐标，记录所有传感器采集到的冲击应力波信号，根据传感器采集到的冲击应力波信号的频谱成分及分布，利用小波变换提取在频谱范围内的单一频率窄带波信号；步骤s410，获取冲击源到达各传感器的最短路径；以及步骤s510，基于所述最短路径和所述窄带波信号进行时间反转聚焦定位及成像。
3、在一些实施例中，步骤s100包括在薄壁圆筒结构的外侧表面上找到一条沿轴线方向的直线，将其定义为理论切割线并记录其位置。选择薄壁圆筒结构的圆形底面的中心作为第一笛卡尔坐标系的原点o，以该点与在圆形底面上的理论切割线端点m相连的直线作为x轴正方向，以薄壁圆筒结构一侧的轴线方向为y轴正方向，以x轴和y轴所组成平面的法线方向作为z轴正方向。以理论切割线为底，将薄壁圆筒结构在理论上展开成一个矩形监测区域，在矩形监测区域上划分大小适中、分布均匀的网格。
4、在一些实施例中，步骤s100包括沿螺旋、弧线、抛物线、折线等非对称路径布置用于接收冲击应力波信号的传感器，并在第一笛卡尔坐标系下标记传感器的位置的第一坐标。
5、在一些实施例中，该步骤s200具体包括以理论切割线的端点m作为原点建立所述平面的第二笛卡尔坐标系，将所述第一笛卡尔坐标系得第一坐标转换成所述平面的第二笛卡尔坐标系得第二坐标进行表示。
6、在一些实施例中，步骤s410具体包括根据冲击应力波在薄壁圆筒结构上的传播特性，将冲击应力波从同一冲击源处传播到同一传感器的所有可能的路径等效成多条虚拟的直线路径，再根据所述冲击源和所述传感器的几何位置关系，基于所述窄带波信号找到冲击应力波从同一冲击源传播到同一传感器的最短路径。
7、步骤s510，基于所述最短路径和所述窄带波信号进行时间反转聚焦定位及成像：包括，将所有传感器采集到的冲击应力波信号的所述窄带波信号进行时间反转，通过补偿不同的时间延迟并累加求和得到所述薄壁圆筒结构的整个监测区域成像的像素分布，再根据所述像素分布进行冲击定位及成像显示。
8、本专利技术所带来的有益技术效果：
9、第一，本申请的一些实施例直接在薄壁圆筒结构上进行三维冲击定位成像，能够在保证准确、快速定位薄壁圆筒结构上冲击源的前提下，实时可视化三维薄壁圆筒结构的冲击成像结果，定位效果更加直观。
10、第二，本申请的一些实施例采用非对称、尤其是螺旋路径布置传感器，能够在使用较少传感器的情况下，覆盖更大面积的监测区域。通常情况下，如果沿着薄壁圆筒周向或者轴向布置，由于圆筒的对称性，算法无法识别处于对称位置的冲击源。非对称路径、尤其是螺旋路径的应用可以解决这个问题。
11、第三，本申请的一些实施例考虑了冲击应力波在薄壁圆筒结构上传播的最短路径，避免了虚假定位的问题，定位结果更加准确可靠。在薄壁圆筒结构上，从冲击源传播到传感器至少有三条路径，在图3中给出。而传感器第一时间采集到的冲击应力波是沿着最短路径传播的，如果代入其他路径计算，会导致定位不准。
12、第四，本申请的一些实施例将薄壁圆筒结构表面的三维坐标转换为二维坐标代入定位算法，提高了运算效率。虽然本申请的一些实施例可以采用三维坐标系确定的坐标进行计算，但是二维坐标系相对于三维少了一个变量，计算效率要相对高一些，也更有利于工程应用。
13、第五，本申请的一些实施例以时间反转聚焦理论为基础，具有无需波传播媒介的先验知识，无需复杂建模和实用性强的优点。
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1.一种面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：该方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：步骤S200包括以所述理论切割线的端点M作为原点建立所述平面的第二笛卡尔坐标系，将所述第一笛卡尔坐标系得第一坐标转换成所述平面的第二笛卡尔坐标系的第二坐标进行表示。
3.一种面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：该方法包括步骤：
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：在步骤S100中，在薄壁圆筒结构的外侧表面上找到一条沿轴线方向的直线，将其定义为理论切割线并记录其位置；选择薄壁圆筒结构的圆形底面的中心作为所述第一笛卡尔坐标系的原点，以该点与在圆形底面上的理论切割线端点M相连的直线作为x轴正方向，以薄壁圆筒结构一侧的轴线方向为y轴正方向，以x轴和y轴所组成平面的法线方向作为z轴正方向；以理论切割线为底，将薄壁圆筒结构在理论上展开成一个矩形监测区域，在矩形监测区域上划分大小适中、分布均匀的网格。
5.根据权利要求1至3中任意一项
6.根据权利要求5所述的面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：所述非对称路径包括螺旋、弧线、抛物线、折线。
7.根据权利要求1至3中任意一项所述的面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：步骤S300包括根据冲击应力波在薄壁圆筒结构上的传播特性，将冲击应力波从同一冲击源处传播到同一传感器的所有可能的路径等效成多条虚拟的直线路径，再根据所述冲击源和所述传感器的几何位置关系，基于所述窄带波信号找到冲击应力波从同一冲击源传播到同一传感器的最短路径。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：步骤S500包括将所有传感器采集到的冲击应力波信号的所述窄带波信号进行时间反转，通过补偿不同的时间延迟并累加求和得到所述薄壁圆筒结构的整个监测区域成像的像素分布，再根据所述像素分布进行冲击定位及成像显示。
...【技术特征摘要】
1.一种面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：该方法包括步骤：
2.根据权利要求1所述的面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：步骤s200包括以所述理论切割线的端点m作为原点建立所述平面的第二笛卡尔坐标系，将所述第一笛卡尔坐标系得第一坐标转换成所述平面的第二笛卡尔坐标系的第二坐标进行表示。
3.一种面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：该方法包括步骤：
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的面向薄壁圆筒结构的冲击定位及成像方法，其特征在于：在步骤s100中，在薄壁圆筒结构的外侧表面上找到一条沿轴线方向的直线，将其定义为理论切割线并记录其位置；选择薄壁圆筒结构的圆形底面的中心作为所述第一笛卡尔坐标系的原点，以该点与在圆形底面上的理论切割线端点m相连的直线作为x轴正方向，以薄壁圆筒结构一侧的轴线方向为y轴正方向，以x轴和y轴所组成平面的法线方向作为z轴正方向；以理论切割线为底，将薄壁圆筒结构在理论上展开成一个矩形监测区域，在矩形监测区域上划分大小适中、分布均匀的网格。
5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：武湛君，曾旭，邓德双，杨雷，杨正岩，马书义，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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