[发明专利]基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法

说明书

本发明公开了一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法，包括：根据结构的厚度等信息采用半解析有限元方法理论分析获取受监测板上导波的频散曲线，通过频散曲线分析导波波速的传播特性、选取检测采用的导波频率和模态；在结构表面布置导波传感器阵列进行多路径的导波激励和接收，依据频散曲线通过模态重构法对采集到的超声导波信号进行模态分解，分别提取原有各模态信号和损伤导致转换模态信号，并依次计算每条传播路径转换模态信号时域能量作为路径损伤因子；将小于最大路径损伤因子1/2值的路径损伤因子归零，根据各路径的损伤因子对传感器阵列覆盖区域进行加权概率成像处理、形成结构的损伤诊断成像。

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，尤其涉及一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法。

背景技术

大面积板结构作为工程结构的重要组成部分，往往会面临使用条件恶劣甚至突然冲击的极端情况，进而造成局部损伤，危及结构的可靠性和安全性。因此，开展能够诊断结构损伤的无损检测和结构健康监测势在必行。多种检测技术在理论上均可用于板结构的损伤诊断，但传统的逐点扫描方式检测时间长、成本高，并且在在难以大范围操作的不可视飞行器结构内操作难度也极大。超声导波具有传播速度快、传播距离长、传播衰减小的优势，可在很小区域通过传感器激励产生超声导波对结构进行大范围检测，适合用于大面积板结构的损伤诊断定位。

损伤诊断成像由于能够生成关于结构健康状况的直观定量图而受到越来越多的青睐，研究者们发展了多种基于超声导波的损伤诊断成像技术，如相控阵成像方法、层析成像方法、偏移成像方法和延迟叠加成像方法等，这几种算法通常需要已知导波传播的模态、该模态传播的群速度以及导波传播的时间历程，然而结构及其环境的复杂性导致超声导波的传播非常复杂，很难对整个时间历程的回波信号进行解释。加权概率诊断成像方法则无需上述要求，该方法计算每条传感路径的信号得到的损伤因子映射到监测区域中的每个节点上，融合各路径数据后即得到监测区域各位置出现损伤的概率值从而基于相关系数进行成像。

尽管加权概率诊断成像方法算法具有良好的损伤定位性能，但通常需要在结构的无损健康状态下采集的基准数据作为当前监测数据的对比来计算损伤因子，但由于这种方法对结构的环境条件的敏感性，对基准数据的依赖可能导致损伤误报。而导波在结构中传播一旦遇到结构厚度的突变会转换出新的传播模态，根据导波的这一特性可设计采用模态重构法将转换模态提取为损伤特征加以应用，实现无基准情况下的实时快速损伤诊断成像。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于超声导波转换模态提取的无基准损伤诊断成像方法，包括如下步骤：

根据待测结构的厚度、材料密度、弹性模量、泊松比信息、采用半解析有限元方法理论分析获取受监测板上导波的频散曲线，通过频散曲线分析导波波速的传播特性、选取待诊断导波频率和模态；

在结构表面布置导波传感器阵列进行多路径的导波激励和接收，其中传感器阵列通过树脂粘接在结构表面上与结构耦合，使用信号激励设备产生选定频率的导波信号，并由显示设备和存储设备进行信号显示和数据存储；

依据频散曲线通过模态重构法对采集到的超声导波信号进行模态分解，分别提取原有各模态信号和因损伤存在产生的新的转换模态信号，并依次计算每条传播路径转换模态信号的时域能量并将其作为路径损伤因子；

将小于最大路径损伤因子1/2值的路径损伤因子归零，根据各路径的损伤因子对传感器阵列覆盖区域进行加权概率成像处理、形成结构的损伤诊断成像。

进一步的，利用半解析有限元方法根据结构厚度和材料属性计算导波传播特性。

进一步的，根据待测结构上导波的传播属性、选择适用于该结构厚度的诊断成像的导波频率和模态。

进一步的，对包含损伤导致转换模态的导波信号进行模态分解、进而得到用于无基准计算损伤因子的模态信息。