[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，其特征在于，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；(4)通过压电传感器网络激励和采集导波信号，判断监测区域是否萌生新的裂纹；如果没有监测到裂纹萌生，则直接进行步骤(5)；如果监测到新的裂纹萌生，则动态更新多裂纹扩展状态方程中的裂纹分量数，以及裂纹扩展方程数目；并同时更新粒子集，新增裂纹长度分量，其裂纹长度初始化为当前导波结构健康监测方法的裂纹监测阈值；更新裂纹总的裂纹数目n＝n+1，然后进行步骤(5)；(5)对于每个粒子，计算其对应的结构损伤程度指数；从导波结构健康监测方法得到的导波信号中提取损伤因子向量，计算结构损伤程度指数的观测似然概率密度函数；通过该观测似然概率密度函数给每个粒子加权，并对所有粒子的权值进行归一化；(6)通过粒子集和相应的权值近似各个裂纹分量的裂纹长度，以及裂纹扩展模型参数的后验概率密度函数；通过裂纹扩展模型参数的后验估计更新裂纹扩展模型；(7)以各个裂纹的裂纹长度的后验估计作为起点，采用参数更新后的裂纹扩展模型对多个裂纹在未来时刻的裂纹扩展进行预测；(8)根据每个粒子的归一化权值，使用系统重采样算法进行重采样，并对粒子进行正则化处理；(9)进行到下一时刻k＝k+1，并重复步骤(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)。