[发明专利]一种复合材料层合结构各向异性损伤辨识方法

说明书

本发明公开一种复合材料层合结构各向异性损伤辨识方法，针对结构关键部位布置压电和应变传感器；利用压电传感器组成的多通道激励和传感通道进行损伤散射的信号采集，计算出不同位置处损伤边界点对应的轨迹曲线；基于获得的轨迹曲线集合，根据曲线外切关系估计损伤边界，从而筛选出可疑损伤单元，建立损伤参数集合；根据载荷施加的历程，基于损伤演化准则对当前损伤状态进行预测，获取损伤参数初值；最后，构建损伤参数量化的优化模型，基于得到的损伤参数初值和序列二次规划方法进行损伤程度量化。本发明一种正向分析和反向优化结合的策略，实现复合材料层合结构各向异性损伤的准确量化辨识，具有精度高、创新性强、实用前景好的特点。

技术领域

本发明涉及一种复合材料层合结构各向异性损伤辨识方法，特别涉及基于实测兰姆波信号和应变信号，结合正向损伤演化分析结果，面向结构剩余强度评估，辨识各向异性损伤下数目较多的损伤参数，为结构实时安全性评估提供直接可靠的模型输入。

背景技术

飞行器复合材料体系、结构特征和服役环境的复杂性使得多组元、多类型损伤模式不可避免，内部损伤模型多样和参数规模巨大，局部损伤参数与结构可测响应之间敏感度不一、非线性映射特征明显；且外部传感器数量远少于待辨识损伤参数数目，结构安全状态反演方程呈现高维度、非线性、高不适定性的特点，严重制约面向剩余性能评估的损伤量化表征。针对复合材料这类多相非均质材料而言，其局部损伤状态参数的辨识是复合材料结构健康监测技术发展的最大困难。一方面，目前的多数研究未在层合结构的多失效模式下进行合理的定量化识别，暂不能为后续结构剩余强度和剩余寿命等安全性能评估提供合适的输入条件。层内各向异性损伤(纤维破坏、基体破坏和剪切破坏)是该类结构中常见的损伤模式。目前针对这种多模式损伤辨识的研究可以分为两大类：一种是通过传感信号的挖掘分析实现损伤模式的分类，另一种是建立测量信号与真实损伤参数的映射关系，从而辨识损伤。在前者的相关研究中，少数的这些研究仅能在先进实验设备的支撑下判别部分载荷工况下的损伤模式，无法实现剩余刚度的评估。后者的相关研究中，在各向异性损伤程度量化辨识上深度不足，仅在可行性上进行了初步探索。另一方面，复合材料结构上的传感器数目远远小于其反演待识别的剩余刚度参数，反演方程高度的不适定性将极大地影响结构状态的反演精度。剩余刚度的评估是剩余强度和寿命评估的基础，由于多失效模式和叠层特性的存在，层合结构的损伤刚度参数识别是是一类大规模参数辨识问题，因此不可避免地会产生反演方程的不适定性。

针对这类问题的求解，目前的可行思路仅有三类：一类是通过对反演模型施加正则化项，另一类是通过发展高效高精度的大规模参数辨识算法，最后一类则是补充先验信息以缩小参数辨识范围。尽管正则化方法起源已久，但是该方法从未应用于复合材料大规模损伤参数的辨识当中，考虑到其对于参数设置的依赖性，可以说它并不存在应用的可能性。由于损伤仅仅是局部量，如果不筛除冗余变量则会引起大量待识别参数均为无意义参数，仅通过发展算法而不关注问题的特征则只能收效甚微。该类结构的损伤机理与承受的载荷形式密切相关，这就意味着该类结构的损伤辨识并不是单一的反问题研究范畴。因此，结合载荷作用下结构正向性能演化的预示，利用多类型传感器数据，建立有效的损伤参数聚焦技术体系，是实际结构各向异性损伤状态精细化的关键，具有显著的现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服复合材料层合结构损伤各向异性程度高、待辨识损伤参数多、传统损伤辨识模型难以与实时剩余强度评估相兼容的问题，将载荷历程下结构的正向损伤预测和基于实时信号的损伤参数反向辨识补偿结合起来，提供一种复合材料层合结构各向异性损伤辨识方法，采用正向分析和反向优化结合的策略，实现复合材料层合结构各向异性损伤的准确量化辨识，具有精度高、创新性强、实用前景好的优点。

本发明技术解决方案：一种复合材料层合结构各向异性损伤辨识方法，其特点在于：基本于正向求解与反向辨识结合实现，步骤如下：

第一步：针对复合材料层合结构中的危险区域，布置k个压电传感器PZT和l个应变传感器，选定激励频率ω_c，该激励频率ω_c作为中心频率激励出兰姆波对应的波包沿各个方向θ的传播速度V_g(θ)；