[发明专利]基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法

说明书

本发明公开了一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，属于故障预测与健康管理技术领域。本发明采用在线导波结构健康监测方法在线监测结构中裂纹的萌生和扩展，当监测到新的裂纹萌生，更新多裂纹扩展状态方程中裂纹分量和裂纹扩展方程数目，构建多裂纹耦合下的裂纹扩展规律，并更新粒子集。结合导波结构健康监测方法获得的在线观测值，通过正则化粒子滤波在线估计多裂纹扩展状态向量的后验概率密度函数。通过模型参数的后验估计更新裂纹扩展模型，以裂纹长度的后验估计为起点预测各个裂纹在未来时刻的扩展轨迹。本发明可以有效地实现结构中多裂纹的在线监测和预测，在结构多裂纹扩展预测方面具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，属于故障预测与健康管理技术领域。

背景技术

故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技术通过传感器在线获取工程系统相关的信息，基于该信息对系统的健康状态进行实时诊断和预测。PHM技术对于保障结构安全性和可靠性，制定最佳的运行和维护策略具有重要的理论意义和工程应用价值。

工程结构作为工程系统的承载平台，其损伤诊断和预测方法对于PHM技术至关重要。在交变服役载荷作用下，工程结构的主要损伤形式为疲劳裂纹。对于老龄化结构，单个结构单元中常常会出现多个疲劳裂纹并扩展的情况。多个裂纹的扩展和聚合可能使得结构突然失效，造成灾难性事故。然而，由于疲劳裂纹扩展过程是一个包含各种不确定性的随机过程，比如材料微观结构的不确定性、服役载荷的不确定性、以及环境参数不确定性等。这些不确定性使得疲劳裂纹的起裂和扩展存在很大的分散性。同时多个裂纹之间的相互作用，使得多裂纹起裂和扩展问题比结构中存在单个裂纹的情况更加复杂，包含更多的不确定性。近年来，基于结构健康监测方法和粒子滤波的裂纹扩展预测方法得到越来越多的关注，其通过贝叶斯滤波理论融合结构当前的裂纹长度观测值和先验裂纹扩展模型，以消除上述不确定性因素对于疲劳裂纹扩展预测的影响。

在结构健康监测方法中，基于导波的结构健康监测方法具有小损伤敏感，可实现区域监测等优点，得到广泛关注并开始逐渐应用于工程实际中。因此，结合导波结构健康监测和粒子滤波方法实现多裂纹扩展预测非常具有应用前景。但是对于单一结构中存在多个裂纹的问题，每个裂纹的起裂和扩展并不是在同一个时刻，确定裂纹的萌生，以及表征多裂纹的扩展规律对多裂纹的疲劳裂纹扩展预测至关重要。

发明内容

本发明针对结构中的多裂纹扩展可靠预测问题，提出一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，旨在结合导波结构健康监测方法对结构疲劳裂纹的萌生和扩展进行监测，同时动态更新多裂纹扩展状态方程中裂纹分量个数，结合正则化粒子滤波理论实现结构多裂纹损伤状态的在线监测和预测。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，包括如下步骤：

(1)离线状态下，基于实验数据建立结构多裂纹扩展状态和结构损伤程度指数之间的映射关系；从反映结构损伤程度变化的导波信号中提取多种损伤因子，组成多维导波损伤因子向量；建立损伤因子向量和结构损伤程度指数的多维非线性映射关系；

(2)在结构服役的初始时刻k＝0，对算法进行初始化；设定初始裂纹的个数n＝1；根据结构的几何形式和服役条件确定结构中单个裂纹的裂纹扩展状态方程；在结构上布置压电传感网络，通过导波结构健康监测方法在线监测结构疲劳裂纹的萌生和扩展；

(3)在结构服役过程中的当前时刻k，计算每个粒子中各个裂纹分量的形状修正系数；结合定义的多裂纹状态方程，从重要性密度函数中采样得到新的粒子集；