[发明专利]一种基于分形维数的复合材料结构件裂纹损伤监测方法

说明书

技术领域

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

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究中，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，所以迫切需要研究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

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。

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。

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

图1为信号激励-接收原理示意图；

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；

图3(a)～图3(b)为不同盒尺寸分形维数计数方法示意图；

图4(a)～图4(h)为分别以P1～P8作为激励点，计算得到的子层析图像；

图5为所有路径叠加计算的全层析图像。

具体实施方式

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。

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、采样频率均相同，在两种状态下一一对应。

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，。

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。

在一个实施例中，应用概率重构的方法如下：