[发明专利]一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法

权利要求书

1.一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：建立复合材料识别对象未发生损伤状态下的损伤识别基础数值模型，对识别对象通过几何形状测量建立所述损伤识别基础数值模型的几何形状，对识别对象通过重量测量确定所述损伤识别基础数值模型的材料密度，对识别对象通过静载试验的应力响应测量修正所述损伤识别基础数值模型的材料刚度，对识别对象通过动响应试验的固有频率测量修正所述数值模型结构加载的边界刚度；

第二步：在识别对象上布置压电传感器与电阻式应变传感器，所述压电传感器为主动传感器布置满足在监测区域均匀分布，对可能发生损伤的区域进行包围；所述电阻式应变传感器为被动传感器，在每个可能发生损伤的区域，布置电阻式应变传感器，对于由应力集中或大载荷引起的发生损伤可能性大的区域额外布置电阻式应变传感器；

第三步：采用第二步布置的压电传感器与电阻式应变传感器测量未发生损伤状态下的基础信号，所述基础信号包括无载荷状态下的结构Lamb波即兰姆波激励产生的压电传感器信号、额定载荷状态下结构Lamb波激励产生的压电传感信号、额定载荷状态下结构应变传感器信号和力锤敲击作用下激励的自由振动应变传感器动态响应信号；

第四步：采用第二步布置的压电传感器测量损伤发生后的主动激励信号，所述主动激励包括损伤发生后的无载荷状态下的结构Lamb波激励产生的压电传感器信号及损伤产生后的额定载荷状态下的结构Lamb波激励产生的压电传感器信号；

第五步：采用第二步布置的电阻式应变传感器测量损伤发生后的结构静响应信号与动响应信号，具体指损伤发生后结构在额定载荷状态下的静响应应变传感器信号以及力锤敲击激励下的自由振动应变传感器信号；

第六步：基于第三步测量得到的基础信号以及第四步测量得到的主动激励信号，采用时间反演聚焦成像方法，确定识别对象的损伤位置；

第七步：以第一步中建立的损伤识别基础数值模型为基础，根据第六步确定的损伤位置，通过损伤量化模型，将损伤发生处的有限元单元刚度参数进行参数化修改，得到损伤识别修正模型；所述损伤识别修正模型有如下特点：(1)在损伤发生的区域，该损伤模型的有限元刚度参数能够修改；(2)在损伤变量设置为0即未发生损伤时，结构静力应变响应与自由振动激励响应与基础信号测量结果一致；

第八步：使用差分格式梯度迭代方法或无梯度模式搜索法得到分析结果与测量损伤结果最接近的情况，此时得到的损伤变量即为损伤量化结果。

2.根据权利要求1所述的一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法，其特征在于：所述第三步中，未发生损伤状态下的基础信号与第四步、第五步中的损伤后的测量响应信号中，包括压电传感器主动激励产生，并由其他压电传感器接收的Lamb波信号、由静力试验机加载产生的静力载荷，由电阻式应变片测量的静力响应信号以及由力锤敲击产生激励，由力传感器与电阻式应变传感器测量的动响应信号；其中Lamb波信号为主动激励信号，静力响应信号与动响应信号为被动响应信号，主被动结合特征之一即指结合使用这两种信号；其中，压电传感器不只一个，当一个激励时，没有激励的就是其他压电传感器。

3.根据权利要求1所述的一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法，其特征在于：所述第六步中，采用时间反演聚焦成像方法的具体如下：

(1)将损伤后测得信号响应与损伤前测得信号响应做差，得到差信号；

(2)将差信号时间相位反转；

(3)选择监测区域中一点，根据选择监测点位置与接收信号传感器距离计算信号相位平移距离并对信号进行相位平移；

(4)将多组相位平移后信号进行叠加，并对叠加后信号进行平方积分；

(5)选择监测区域中另一点并重复(3)-(4)，直到区域中所有点计算完成；

(6)将检测区域内的信号计算值进行归一化，并将结果作为该点像素值进行成像，像素值最大的区域即为辨识损伤区域。

4.根据权利要求1所述的一种主被动结合的复合材料损伤定量辨识方法，其特征在于：所述第七步中，以损伤识别基础模型为基础，将损伤发生处的损伤识别基础模型有限元单元刚度性能根据损伤量化模型重新计算并修改，得到损伤单元的刚度矩阵与损伤变量之间的关系，修正后的有限元模型即为损伤识别修正模型，损伤量化模型采用损伤力学的理论，使用刚度折减量作为损伤变量，对有限元模型中损伤单元的剩余表征刚度进行量化识别，实现对复合材料损伤的定量描述与辨识表征刚度描述，如下式：

E_d＝E_m(1-d)

式中E_d为损伤刚度，即表征刚度，E_m为各向同性材料未发生损伤时的刚度，d为损伤变量，对于对称铺层复合材料层合板本构关系，完整表达式如下：

B＝0

其中A为层合板拉伸刚度矩阵，B为层合板拉弯耦合刚度矩阵，D为层合板弯曲刚度矩阵，H为层合板剪切刚度矩阵，d₁～d₁₄为待识别损伤变量，A_ij，D_ij，H_ij分别表示层合板的面内刚度系数，弯曲刚度系数，剪切刚度系数。