[发明专利]一种轮廓与深度顺序辨识的复合材料分层损伤辨识方法

说明书

本发明公开了一种轮廓与深度顺序辨识的复合材料分层损伤辨识方法，首先定义主动式的压电传感器与被动式的应变传感器布局；其次，对各个压电传感器进行依次主动激励和信号接收，通过损伤前后的信号作差，获取损伤的散射波；然后利用交替时间反转相位合成的方法，估计损伤的中心位置，依次利用直达波的飞行时间，估计分层损伤的边界点，并基于获得的多组边界点进行损伤边界拟合；再次，建立基于贝叶斯后验概率的辨识分层深度的数学模型，在估计出的损伤边界的基础上，通过应变测量更新后验概率模型，最终确定分层深度。本发明通过提出一种主动和被动式信息协同利用的框架，实现分层损伤的区域和深度的可靠辨识，精度高、实用性强。

技术领域

本发明涉及复合材料结构多类型损伤的量化辨识技术，特别涉及复合材料层合结构发生分层损伤以后，在稀疏传感器布局下将主动式和被动式两大类信息结合起来，量化辨识分层损伤发生的区域和深度，为先进结构服役过程中实时安全性评估提供技术基础。

背景技术

近年来，复合材料已越来越广泛地用于航空，航天和其他领域的结构设计中。在各种复合材料中，碳纤维增强复合材料层合结构被广泛使用。然而，随着结构的长期使用以及载荷环境的多样化和不可预测性，复合结构的结构损坏甚至失效是不可避免的。为了实现结构的快速维护，对结构安全状态进行实时监控具有重要意义。复合材料层合结构通常具有很强的面内性能，但层间的拉伸和剪切性能较弱。在静态过载，冲击和疲劳载荷下，复合材料结构通常容易遭受多种破坏形式，例如基体开裂，分层等。不同类型的损坏对结构响应信息的机理和敏感性不同。这些都对准确识别损伤提出了巨大挑战。在主要的损坏模式中，分层是常见的一种，其力学行为与层内损伤大不相同，并且它可能导致结构失效，因此，本发明将重点放在对这种损伤的量化辨识。

层合结构分层损伤的识别方法可以分为两类：基于模型更新和基于信号处理。这里提到的信号包括振动信号，导波信号和光纤光栅相关信号。使用振动信号进行模型更新的方法实际上是通过解决反问题来识别分层，尽管这种识别方法对离散结构(桁架，桥梁等)具有良好的适用性。然而，对于诸如复合板这类连续结构，由于局部损伤对可测量频率的影响较弱，因此该方法难以在实际工程中进一步应用。此外，分层处界面之间的非线性刚度模型与线性模态分析之间不可避免的存在不兼容。基于振动信号处理的方法目前依赖于测量信息的整体性和完整性，而基于光纤光栅信号的方法则需要实验室环境中的进行精密测量。然而，前者对测量信息完整性的要求在实际应用中难以满足，而后者的相关研究目前集中在探索光纤光栅相关信号与分层之间的定性关系，无法实现准确的量化辨识。根据导波信号测量方法的不同，目前基于导波的分层识别方法可以分为两类：一种是使用非接触式扫描激光技术来测量全场导波信号，但是，由于在飞机结构的在线监测中很难实现全场波动测量，因此上述方法的应用和推广受到限制。另一种是使用少量的测量点或超声探头进行局部导波信号测量，尽管导波对分层敏感，但是当前对导波检测分层的研究通常需要监视导波经过分层区域后的信号特征变化。然而分层损伤位置通常是未知的，因此很难监视导波通过损坏区域的整个传播历史。更重要的是，这些方法只能描述导波信号与分层深度之间的相关性，而定量识别的技术框架还不成熟。

在分层损伤确定之前，对于其位置、轮廓和深度的先验判断并不充分。而且布置在结构的表面上的传感器的数量是有限的。通过上面的分析，当前用于分层损伤识别的方法无法在这样的要求下实现对于分层损伤的准确辨识。因此，针对量化辨识层合结构中分层损伤这一技术难题，发展一种多源信息融合基础上的分层损伤的可靠辨识方法，对于实际结构的安全性快速评估和维护具有显著的现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服传统分层损伤辨识方法在难以兼顾传感器稀疏性、辨识精细度方面的问题，将主动式兰姆波信号与被动式应变结合起来，利用兰姆波对损伤边界的敏感度和表面应变测量的简便性，提出一种损伤轮廓与深度同时兼顾的复合材料层合结构分层损伤辨识方法。

本发明的技术方案为：一种轮廓与深度顺序辨识的复合材料分层损伤辨识方法，步骤如下：