[发明专利]一种基于超声导波的编织复合材料板损伤形状识别方法

说明书

本发明公开了一种基于超声导波的编织复合材料板损伤形状识别方法，具体步骤：S1：通过半解析有限元方法分析得到编织复合材料板上导波传播波速；S2：通过全向波速测量方法测得编织复合材料板上导波传播波速，对半解析有限元模型进行修正，选取适合监测的导波模态和频率；S3：在编织复合材料板上布置导波传感器网络，传感器粘贴于结构表面，设置传播路径，用于损伤监测；S4：获取无损和无损状态下不同传播路径的导波信号，求得不同路径损伤散射信号，利用椭圆加权成像的方法确定损伤中心点；S5：提取真实的损伤反射时差；S6：基于椭圆轨迹预估损伤边界点，去除噪声点；S7：根据损伤边界点预测损伤面积和形状。

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，尤其涉及一种基于超声导波的编织复合材料损伤形状识别方法。

背景技术

由于具有高强度、尺寸稳定性和设计灵活性等优点，编织复合材料被认为是重要的增强材料，并已应用于铁路、民用和飞机结构等工程领域。编织复合结构在服役期间面临着复杂的化学/物理环境的挑战，损伤的发生和积累可能导致结构的灾难性失效，使结构安全面临严峻挑战。为了获得损伤容限并确保结构安全，必须精确识别损伤的类型、位置、大小和形状。在过去的几十年里，结构健康监测(SHM)被认为是最有潜力的技术之一，需要设计和研究监测算法来获取结构健康状况。

由于优异的波传播能力和高损伤敏感性，基于超声导波的损伤监测技术越来越多地用于结构健康监测领域。基于导波的结构健康监测技术已广泛用于金属和复合结构中的快速损伤检测。为了激励和接收超声导波信号，低成本压电(PZT)换能器越来越多地应用于结构健康监测领域，其具有价格低廉、小尺寸和低功耗的优点。对于结构损伤识别，由于导波传播具有复杂的多模态特性和频散特性，实际应用需要准确获取被检测结构中的导波传播信息。此外，对接收到的导波信号进行准确可靠的分析和处理，对于基于导波的损伤形状识别方法至关重要。传统的损伤识别方法往往只关注于损伤位置的定位，然而损伤大小和形状对于后续的结构安全评价以及复合材料结构设计至关重要，因此需要开发能够多层次损伤识别的算法。

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的编织复合材料损伤形状识别方法。该方法为了提高编织复合材料板损伤识别方法在实际应用中的可靠性，首先利用半解析有限元方法和全向波速测量方法来获取编织复合材料板上精确的超声导波传播信息；然后，提出了基于超声导波的损伤形状识别算法，可用于编织复合材料板的损伤识别，包括损伤位置、损伤大小和损伤形状。

该方法具体包含以下步骤：

S1:根据材料的密度、弹性模量、泊松比属性，利用半解析有限元方法计算编织复合材料板的群速度随频率变化的频散曲线和随方向变化的曲线；

S2:采用全向波速测量方法获取编织复合材料板中超声导波传播波速，包括不同频率下和不同方向的速度；

S3:采用全向波速测量方法测得的波速修正半解析有限元的模型；

S4:设计传感网络和传播路径，在编织复合材料板上粘贴传感器进行导波的激励和接收，预测损伤中心点的位置；

S5：根据预测的损伤中心点位置计算损伤反射路径预估距离，预估损伤反射时差，根据预估的损伤反射时差提取损伤反射时差；

S6：根据损伤反射时差，基于椭圆轨迹寻求所有的损伤边界点Pm并过滤噪声点；

S7：采用过滤后的损伤边界点进行损伤大小和损伤形状识别，对损伤边界点采用凸包方法绘制多边形，得到的多边形为评估的损伤边界，损伤多边形的面积为评估的损伤大小，多边形的形状为评估的损伤形状。

采用全向波速测量方法获取编织复合材料板中超声导波传播波速，包括不同频率下和不同方向的速度，具体方式为：