CN113390967A - 一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，属于损伤监测技术领域，包括以下步骤：在结构上布置传感器阵列；选择最佳激励频率；利用频谱获取信号的基波与二次谐波幅值；计算损伤前后各条路径的非线性特征参数；根据损伤前后非线性特征参数的变化，对复合材料的损伤进行二维定位。本发明所提出的监测方法运用梯形传感器阵列，采集损伤前后各条路径的信号，根据其非线性特征参数的变化对结构上的损伤进行定位，且不受结构件本身结构及材料的影响，满足人们对于各种复杂情况进行监测的需求，便于监测后及时采取补救措施，以防止材料进一步恶化，并降低由此引发的事故风险。

Description

一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，属于技术领域。
背景技术
随着航空航天、机械制造、建筑等领域的发展，复合材料已经被广泛应用于各行各业。虽然复合材料具有强度刚度大，耐疲劳性好和设计灵活等诸多优点，但由于其对外来物体冲击的敏感性，在使用不当或恶劣的环境中，复合材料可能会遭受各种形式的不可见或难以识别的损伤，如低速冲击、制造或维修过程中工具掉落，可能会导致复合材料出现外表不可见的冲击损伤。这些都要求对复合材料中的损伤具有准确的认识，并及时采取补救措施，以防止材料进一步恶化，并降低由此引发的事故风险。
传统的线性Lamb波监测技术是利用Lamb波遇到损伤时发生的反射、散射和对传播过程中能量的吸收等线性特征来检测损伤的，对于检测介质具有明显的声抗差别的、大的(与波长相比)体积型缺陷和具有开放式裂纹的缺陷敏感，能够解决常规问题。随着各种新型材料的发现和运用，人们对于结构中的微小损伤关注日益加大，各种工程也进而提高了对监测技术的要求，微裂纹/微缺陷的检测、复杂形状零件的监测、大型结构远程监测等各种需求不断产生，传统的线性Lamb波监测技术由于原理限制，已经不能满足人们对于监测的要求。因而，迫切需要寻找其他监测技术来对损伤进行定位，以便及时消除安全隐患。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，运用梯形传感器阵列，采集损伤前后各条路径的信号，根据其非线性特征参数的变化对结构上的损伤进行定位，且不受结构件本身结构及材料的影响。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，包括如下步骤：
步骤1：获取试件，在试件结构上布置一组压电片组成梯形激励/传感阵列；
步骤2：选择最佳激励频率；
步骤3：从梯形激励/传感阵列路径的交叉点中随机选取一个位置进行裂纹加工，模拟损伤的发生，采集损伤前后各条路径的信号，并利用频谱获取信号的基波幅值和二次谐波幅值；
步骤4：计算损伤前后各条路径上的非线性特征参数；
步骤5：根据各条路径上非线性特征参数的变化对结构上的损伤位置进行确定。
进一步的，所述步骤1，包括以下步骤：
步骤1.1：在所述结构上选择一片区域作为待测区域；
步骤1.2：选择多个压电片，将其粘贴在结构表面的待测区域内，布置方式采用梯形布置法。
进一步的，所述步骤2，包括以下步骤：
步骤2.1：由于Lamb波在低频范围内只存在S0模式和A0模式，不同的激励频率可激发出不同的Lamb模式，通过计算机上的Labview软件激发出窄带正弦调制信号，其激励频率由高到低，以一定的频率为间隔频率，记录不同频率下的传感信号S0模式和A0模式直达波的幅值；
步骤2.2：从激励频率中选取最佳激励频率，使得S0模式在信号中占据主导地位；
步骤2.3：根据材料的相速度频散曲线，所述最佳激励频率需要满足其基频信号的相速度和二倍频的相速度近似相等。
进一步的，所述步骤3，包括以下步骤：
步骤3.1：在结构健康状态下，选定梯形激励/传感阵列上面的压电片作为激励元件，下面的压电片作为传感元件，采集健康状态下各条路径的传感信号；
步骤3.2：从梯形激励/传感阵列路径的交叉点中随机选取一个位置进行裂纹加工，模拟损伤的发生；
步骤3.3：在结构损伤状态下，选定梯形激励/传感阵列上面的压电片作为激励元件，下面的压电片作为传感元件，采集损伤状态下各条路径的传感信号；
步骤3.4：利用频谱获取损伤前后各条路径上信号的基波幅值和二次谐波幅值。
进一步的，所述步骤4，包括以下步骤：
将步骤3中所得到的损伤前后各条路径上信号基波幅值和二次谐波幅值带入到公式(1)中，计算非线性特征参数：
Figure BDA0003107733320000031
其中，A1为信号的基波幅值，A2为信号的二次谐波幅值。
进一步的，所述步骤5包括以下步骤：
将步骤4所获取的损伤前后各条路径的非线性特征参数进行对比，根据非线性特征参数的变化情况对结构上的损伤进行定位，当结构出现损伤后，各条路径上的非线性特征参数均会增大，且距离损伤位置越近，路径上非线性特征参数的增长率越大，以此判定损伤在二维平面内的位置。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明提供的一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，运用梯形传感器阵列，采集损伤前后各条路径的信号，根据其非线性特征参数的变化对结构上的损伤进行定位，且不受结构件本身结构及材料的影响，满足人们对于各种复杂情况进行监测的需求，便于监测后及时采取补救措施，以防止材料进一步恶化，并降低由此引发的事故风险。
附图说明
图1是本发明实施例提供的的方法流程图；
图2是本发明实施例提供的试件结构以及传感/激励阵列的布局示意图；
图3是本发明实施例提供的环氧树脂复合材料板的频散曲线图；
图4是本发明实施例提供的S0和A0模态的幅频响应测量曲线图；
图5是本发明实施例提供的损伤前后各条路径非线性特征参数变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明涉及一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，尤其适用于复合材料等具有复杂结构的损伤监测。
如图1所示，是本发明方法流程图，包括如下步骤：
步骤一、在结构上布置梯形激励/传感器阵列。
试件为环氧树脂复合材料板，尺寸为600mm×600mm×2mm，在结构上根据监测区域布置6个直径为7mm的压电片组成梯形激励/传感器阵列，如图2所示，将压电片依次编号为PZT1、PZT2、…、PZT6，之间路径分别标记为L1i和L2j(i＝3、4、5、6，j＝3、4、5、6)。
步骤二、选择最佳激励频率。
由于Lamb波在低频范围内只存在S0模式和A0模式，不同的激励频率可激发出不同的Lamb模式，通过计算机上的Labview软件激发出窄带正弦调制信号，选择窄带正弦调制信号作为激励信号，其频率由160kHz逐步递增到300kHz，以10kHz为间隔频率，记录每个激励频率下S0和A0的幅值；从激励频率中选取最佳激励频率220kHz，此时S0模式在信号中占据主导地位；根据材料的相速度频散曲线，220kHz同时满足了其基频信号的相速度和二倍频的相速度近似相等的条件。
步骤三、获取损伤前后各条路径上信号的基波与二次谐波幅值。
在结构健康状态下，选定梯形激励/传感阵列上面的压电片作为激励元件，下面的压电片作为传感元件，通过实验设备采集健康状态下各条路径的传感信号；然后从梯形激励/传感阵列路径的6个交叉点中随机选取L16和L25的交叉点进行裂纹加工，模拟损伤的发生；在结构损伤状态下，选定梯形激励/传感阵列上面的压电片作为激励元件，下面的压电片作为传感元件，通过实验设备采集损伤状态下各条路径的传感信号；利用频谱获取损伤前后各条路径上信号的基波幅值和二次谐波幅值。
步骤四、计算损伤前后各条路径的非线性特征参数。
将步骤三所获得的信号基波幅值和二次谐波幅值带入到公式(1)中，计算非线性特征参数：
Figure BDA0003107733320000061
其中，A1为信号的基波幅值，A2为信号的二次谐波幅值。
步骤五，根据各条路径上非线性特征参数的变化对结构上的损伤位置进行确定。
将结构健康状态和损伤状态下各条路径的非线性特征参数进行对比，其损伤前后各条路径非线性特征参数的变化情况如图5所示，可以看到，当结构出现损伤后，各条路径上的非线性特征参数均会增大，且距离损伤位置越近，路径上非线性特征参数的增长率越大，以此判定损伤在二维平面内的位置。
本发明提供的一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，运用梯形传感器阵列，采集损伤前后各条路径的信号，根据其非线性特征参数的变化对结构上的损伤进行定位，且不受结构件本身结构及材料的影响，满足人们对于各种复杂情况进行监测的需求，便于监测后及时采取补救措施，以防止材料进一步恶化，并降低由此引发的事故风险。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1：获取试件，在试件结构上布置一组压电片组成梯形激励/传感阵列；
步骤2：选择最佳激励频率；
步骤3：从梯形激励/传感阵列路径的交叉点中随机选取一个位置进行裂纹加工，模拟损伤的发生，采集损伤前后各条路径的信号，并利用频谱获取信号的基波幅值和二次谐波幅值；
步骤4：计算损伤前后各条路径上的非线性特征参数；
步骤5：根据各条路径上非线性特征参数的变化对结构上的损伤位置进行确定。
2.根据权利要求1所述的基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，其特征是，所述步骤1，包括以下步骤：
步骤1.1：在所述结构上选择一片区域作为待测区域；
步骤1.2：选择多个压电片，将其粘贴在结构表面的待测区域内，布置方式采用梯形布置法。
3.根据权利要求1所述的基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，其特征是，所述步骤2，包括以下步骤：
步骤2.1：由于Lamb波在低频范围内只存在S0模式和A0模式，不同的激励频率可激发出不同的Lamb模式，通过计算机上的Labview软件激发出窄带正弦调制信号，其激励频率由高到低，以一定的频率为间隔频率，记录不同频率下的传感信号S0模式和A0模式直达波的幅值；
步骤2.2：从激励频率中选取最佳激励频率，使得S0模式在信号中占据主导地位；
步骤2.3：根据材料的相速度频散曲线，所述最佳激励频率需要满足其基频信号的相速度和二倍频的相速度近似相等。
4.根据权利要求1所述的基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，其特征是，所述步骤3，包括以下步骤：
步骤3.1：在结构健康状态下，选定梯形激励/传感阵列上面的压电片作为激励元件，下面的压电片作为传感元件，采集健康状态下各条路径的传感信号；
步骤3.2：从梯形激励/传感阵列路径的交叉点中随机选取一个位置进行裂纹加工，模拟损伤的发生；
步骤3.3：在结构损伤状态下，选定梯形激励/传感阵列上面的压电片作为激励元件，下面的压电片作为传感元件，采集损伤状态下各条路径的传感信号；
步骤3.4：利用频谱获取损伤前后各条路径上信号的基波幅值和二次谐波幅值。
5.根据权利要求1所述的基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，其特征是，所述步骤4，包括以下步骤：
将步骤3中所得到的损伤前后各条路径上信号基波幅值和二次谐波幅值带入到公式(1)中，计算非线性特征参数：
Figure FDA0003107733310000021
其中，A1为信号的基波幅值，A2为信号的二次谐波幅值。
6.根据权利要求1所述的基于梯形阵列的非线性导波复合材料损伤定位方法，其特征是，所述步骤5包括以下步骤：
将步骤4所获取的损伤前后各条路径的非线性特征参数进行对比，根据非线性特征参数的变化情况对结构上的损伤进行定位，当结构出现损伤后，各条路径上的非线性特征参数均会增大，且距离损伤位置越近，路径上非线性特征参数的增长率越大，以此判定损伤在二维平面内的位置。
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