[发明专利]一种碳纤维增强基复合材料结构的疲劳损伤诊断方法

说明书

本发明属于复合材料结构疲劳损伤检测相关技术领域，其公开了一种碳纤维增强基复合材料结构的疲劳损伤诊断方法，该方法包括以下步骤：(1)根据确定的致动频段向碳纤维增强基复合材料试样发射导波并采集导波信号；(2)以健康状态下的导波为基准来确定导波信号的损伤指数，继而基于损伤指数来自动对导波信号进行标签；(3)利用连续小波变换方法对导波信号进行处理以得到CWT图，并构建卷积神经网络模型，进而对卷积神经网络模型进行训练，以得到疲劳损伤诊断模型；(4)将待测碳纤维增强基复合材料结构中传播的导波对应的CWT图输入到疲劳损伤诊断模型，以进行疲劳损伤诊断。本发明提高了精度和适用性，灵活性较好。

技术领域

本发明属于复合材料结构疲劳损伤检测相关技术领域，更具体地，涉及一种碳纤维复合材料结构的疲劳损伤诊断方法。

背景技术

碳纤维增强基(CFRP)复合材料因其优越的综合性能而被广泛应用于航空航天、汽车等制造领域，由于碳纤维增强基复合材料具有复杂内部结构和各向异性特性，碳纤维增强基复合材料的疲劳损伤规律一直尚不明确，限制了碳纤维增强基复合材料大范围应用。因此，发展可靠、通用、精准的诊断技术可以有效诊断碳纤维增强基复合材料结构因疲劳损伤带来的可靠性风险，推动碳纤维增强基复合材料的工程应用。

Lamb波是一种由横波和纵波在传播的过程中经由板的上下平面反射耦合而成的弹性应力波，也称为板波或者导波。Lamb波在板状结构中传播时，能量衰减小，传播距离远，对小损伤敏感，而且可同时检测结构的表面缺陷和内部缺陷，因此被广泛应用于复合材料板中的损伤检测和定位。然而，Lamb波技术存在众多局限性，如多重缺陷会导致信号的叠加效应，严重缺陷会使信号快速衰减，结构外覆层容易导致回波信号的衰减等，这些因素都会导致导波信号中干扰成分的增加，进而导致检测精度较低。相应地，本领域存在着发展一种精度较好的碳纤维增强基复合材料结构的疲劳损伤诊断方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碳纤维复合材料结构的疲劳损伤诊断方法，其基于碳纤维增强基复合材料结构的损伤检测特点，研究及设计了一种精度较好的碳纤维增强基复合材料结构的疲劳损伤诊断方法。所述方法结合了卷积神经网络及连续小波变换，其首先，通过信号分析对Lamb波信号进行筛选；其次，使用连续小波变换提取Lamb波信号的时频域特征，绘制CWT图；然后，基于损伤指数自动给出CWT图的数据标签；最后，利用得到的图像及标签训练卷积神经网络，并采用训练好的卷积神经网络预测损伤状态，提高了精度及适用性。

为实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料结构的疲劳损伤诊断方法，该方法包括以下步骤：

(1)依据Lamb波在待测碳纤维增强基复合材料结构中传播的频散曲线来确定致动频段，并根据所述致动频段向所述碳纤维增强基复合材料试样发射Lamb波，继而采集碳纤维增强基复合材料试样中传导的Lamb波信号；

(2)以碳纤维增强基复合材料在健康状态下的Lamb波为基准来确定当前的所述Lamb波信号的损伤指数，继而基于所述损伤指数来自动对所述Lamb波信号进行标签；

(3)利用连续小波变换方法对标签后的所述Lamb波信号进行处理以得到CWT图，并基于所述CWT图构建卷积神经网络模型，进而基于所述CWT图及所述Lamb波信号的数据标签来对所述卷积神经网络模型进行训练，以得到疲劳损伤诊断模型；

(4)将待测碳纤维增强基复合材料结构中传播的Lamb波对应的CWT图输入到所述疲劳损伤诊断模型，所述疲劳损伤诊断模型基于接收到的CWT图对待测碳纤维增强基复合材料结构进行疲劳损伤诊断。

进一步地，步骤(4)中，若诊断出待测碳纤维增强基复合材料结构出现疲劳损伤，则进一步确定待测碳纤维增强基复合材料结构出现疲劳损伤的位置，否则结束。