一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法与流程

1.本发明属于飞行器结构健康监测技术领域，特别涉及一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法。


背景技术：

2.飞行器结构静力试验是在试验室条件下，用试验装置再现载荷及边界条件，研究飞行器结构静强度和静刚度的试验。飞行器结构热强度试验是在地面模拟热环境和力载荷，对全尺寸飞行器结构进行强度验证和评估的试验。静力试验和热强度试验(以下简称两项试验)是航天型号结构系统的两项重要大型地面试验。两项试验过程中及早发现结构损伤并采取相应措施，必将大大缩短试验周期、减少经济损失。目前常用于两项试验损伤监测的传感器类型主要包括主动压电传感器、智能涂层传感器、声发射传感器和应变传感器等4种。其中，主动压电传感器可以探测和定位结构的内部和表面损伤，但需要对比试验前后试验件的状态，很难做到实时监测。智能涂层技术一般仅能探测和定位大于1mm的表面损伤，对复合材料的内部损伤无能为力。声发射传感器能探测和定位结构的内部和表面损伤，但抗干扰能力差，容易误报损伤。工程上，两项试验一般利用应变片、光纤光栅传感器、非本征型光纤法布里-珀罗传感器(extrinsic fabry-perot interfemmeter,efpi)和数字图像相关(digital image correlation.dic)等手段获得大量的应变数据，基于应变/应力的损伤监测方法主要有两种：应变/应力许用值方法和应变/应力场方法。应力/应变许用值方法使用简单，在工程中得到广泛应用，但受应变传感器布置数量和位置的限制，应变传感器一般很难精确地布置在损伤部位，导致有时应变传感器的读数远不到许用值时，试件就发生了破坏。传统的应变/应力场监测损伤的方法，需要一个应变/应力场基准，该基准通过试验或有限元方法获得。其中，试验方法测定应变/应力场基准精度高，但是成本高，且很难覆盖所有工况。有限元方法确定应变/应力场基准成本低，但是精度很难保证。因此，应变/应力场方法监测结构损伤目前还处在试验室探索阶段，和工程应用还有一定的距离。幸运的是，大量的试验中发现，试件破坏前，损伤区域附近应变-载荷百分数曲线的斜率有明显变化。因此，应变-载荷百分数曲线的斜率变化可以作为1个重要的损伤监测指标。但是。目前还没有量化的应变-载荷百分数曲线斜率变化指标供结构损伤监测使用。
3.目前可采用的两项试验加载保护判据有两个：(1)过载保护判据。加载力偏差大于阈值就卸载，力偏差阈值一般取最大试验载荷的3％～10％。(2)过变形保护判据。工程上一般用作动筒行程幅值大于阈值就卸载。作动筒行程幅值阈值一般根据预试验结果外推并加上一定的余量确定，其值一般偏大。结构静力试验一般采用过载保护判据。由于在载荷较小时，结构存在初始间隙，容易触发加载保护，静力试验中常在载荷超过预试验载荷时，再手工打开加载保护，导致在低载荷段无载荷保护措施。热强度试验一般采用自动程序控制加载，采用过变形保护判据。过变形保护判据的问题是在加载区域局部产生失稳、损伤或加载点脱落等意外情况时，作动筒行程指标往往滞后，从而可能导致作动筒误伤试件。现有的加载保护措施仅仅考虑力或位移1个参数，信息利用不充分，已经不能满足越来越高的试验件
加载保护需求。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，通过应变传感器、位移传感器、力传感器数据预测结构损伤，为试验现场指挥决策提供重要指标，从而完成本发明。
5.本发明提供的技术方案如下：
6.一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，包括如下方法：
7.步骤(1)，根据静力试验或热强度试验的预试验或使用载荷试验阶段中应变传感器、位移传感器和力传感器的结果，得到响应参量-载荷百分数曲线，所述响应参量为应变和位移；根据响应参量-载荷百分数曲线得到广义刚度数据；基于广义刚度数据设定线性段起始点判据，根据线性段起始点判据确定响应参量-载荷百分数曲线的线性段起始点；其中，所述广义刚度数据包括分贝形式广义刚度幅值和广义刚度相位；
8.步骤(2)，在静力试验或热强度试验设计载荷试验阶段，以确定的线性段起始点为起点，重新确定广义刚度数据；
9.步骤(3)，根据重新确定后的广义刚度数据，给出静力试验和热强度试验结构损伤预警判据，基于结构损伤预警判据和广义刚度相位-载荷百分数曲线形态，定位损伤源；
10.步骤(4)，根据重新确定后的广义刚度数据，给出热强度试验结构加载保护判据，基于结构加载保护判据判断加载部位附近结构的失稳或损伤。
11.根据本发明提供的一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，具有以下有益效果：
12.(1)本发明提供的一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，利用应变传感器数据，能对结构静力试验中的试验件进行实时健康监测，在损伤萌生、损伤扩展和破坏时刻，损伤部位附近应变传感器的广义刚度-载荷百分数曲线呈现明显的峰值形态，便于试验现场的指挥决策；
13.(2)本发明提供的一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，广义刚度方法的基准是应变-载荷曲线线性段斜率，解决了传统应变/应力场方法基准难确定问题，提升了利用应变/应力场监测损伤的精度；
14.(3)本发明提供的一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，目前工程上应变传感器布置密度即可满足本发明损伤监测需求，无需额外增加应变传感器数量，较其它健康监测方法大大降低了成本；
15.(4)本发明提供的一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，利用作动筒的行程-载荷数据，给出了热强度试验的加载保护新判据，解决了传统试验加载保护判据容易误伤试验件的问题。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法的流程图。
具体实施方式
17.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
18.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
19.本发明提供了一种结构静力试验和热强度试验的现场损伤评估方法，包括如下步骤：
20.步骤(1)，根据静力试验或热强度试验的预试验或使用载荷试验阶段中应变传感器、位移传感器和力传感器的结果，得到响应参量-载荷百分数曲线，所述响应参量为应变和位移；根据响应参量-载荷百分数曲线得到广义刚度数据；基于广义刚度数据设定线性段起始点判据，根据线性段起始点判据确定响应参量-载荷百分数曲线的线性段起始点；其中，所述广义刚度数据包括分贝形式广义刚度幅值和广义刚度相位。
21.本发明中，分贝形式广义刚度幅值和广义刚度相位通过以下方式获得：
22.假设：
①
线弹性范围内，试验件响应参量(包括应变和位移)与载荷百分数成线性关系；
②
局部损伤首先影响附近的应变场。
23.在材料的线弹性阶段，结构静力试验或热强度试验中的应变(或位移)传感器输出随着载荷的变化而线性变化，则有s-p曲线：
24.s
i-sb＝k(p
i-pb)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
25.式中，pi为第i个载荷的设计载荷百分数，简称为载荷百分数；si为第i个载荷百分数的应变(或位移)；sb为应变(或位移)截距，pb为载荷百分数截距。在加载初始阶段，受间隙等非线性因素的影响，s-p曲线常表现为非线性，sb、pb可取s-p曲线线性段起始点的载荷百分数p
l1
和应变(或位移)输出s
l1
。k为比例系数，在线弹性段近似为常数；为了使k恒为正值，当si＜0时，可令si＝|si|。式(1)通过移项并在等式两边取常用对数，得到：
26.si＝k piꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
27.式中，si为第i个载荷百分数的应变(或位移)变程对数，其值为si＝lgδsi，其中δsi为第i个载荷百分数下的应变(或位移)变程，其值为δsi＝s
i-sb；k为比例系数对数，其值为k＝lgk。pi为第i个载荷百分数变程对数，其值为pi＝lgδpi。其中，δpi为第i载荷百分数变程，其值为δpi＝p
i-pb。由上式可知，在材料线弹性段，s-p曲线的斜率近似为1。但是，受非线性影响，s-p曲线为直线段连成的折线，每个线段可以认为是一个独立的平面向量。定义第i段s-p向量如下：
28.ai＝(p
i 1-p
i s
i 1-si)
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
29.式中，ai为第i段s-p向量；pi和p
i 1
分别为第i，i 1级载荷百分数变程对数；si和s
i 1
分别为载荷百分数对数pi和p
i 1
对应的应变(或位移)变程对数；t为转置。
30.定义第i载荷百分数下的广义柔度幅值为：
[0031][0032]
式中，f
bi
为第i载荷百分数下的广义柔度幅值，a
(i-1)1
和a
(i-1)2
分别为a
i-1
的第1个和第2个元素。f
bi
表征了结构在应变(或位移)传感器附近的柔度变化，在逐级加载的初始阶段
其值近似为1。
[0033]
定义第i载荷百分数下的广义刚度幅值为广义柔度的倒数，表示为：
[0034][0035]
式中，k
bi
为第i载荷百分数下的广义刚度幅值，f
bi
为第i载荷百分数下的广义柔度幅值，k
bi
表征了结构在应变(或位移)传感器附近的刚度变化，在逐级加载的初始阶段其值近似为1。
[0036]
定义第i载荷百分数分贝形式广义刚度(柔度)幅值，表示为：
[0037]
βi＝20|lg|k
bi
||
ꢀꢀꢀ
(6)
[0038]
βi表征了广义刚度(柔度)和基准刚度(柔度)1的比，其单位为db。若βi＝0，则表示广义刚度为1；若其值不为0，其值越大，则广义刚度偏离1越多。
[0039]
定义静力试验/热强度试验第i载荷百分数下的广义刚度(柔度)相位，其值为第i载荷百分数前s-p向量和基准向量之间夹角。表示为：
[0040][0041]
式中，αi为静力试验或热强度试验第i载荷百分数下的广义刚度(柔度)相位，其值在0～π之间，其值越大，表示广义刚度偏离基准值越多；i为序号；a
i-1
为第i-1段s-p向量；a0为基准向量，表示为a0＝(1 1)
t
；上角标t表示转置。
[0042]
确定各级或设定载荷百分数下的αi，进而确定α-p(相位-载荷)曲线，在α-p曲线中，若出现尖峰形态，则称该尖峰为1个损伤波(wave of damage)。
[0043]
本发明中，根据线性段起始点判据确定响应参量-载荷百分数曲线的线性段起始点的具体步骤如下：
[0044]
(a)基于广义刚度数据设定线性段起始点判据，s-p曲线线性段起始点(定义为p
l0
)判据如下：
[0045][0046]
式中，α
i 2
和α
i 3
分别为第i 2和i 3点的广义刚度相位；αd为广义刚度相位阈值，αd的推荐值为3～6deg。若满足判据，表示从i点开始的s-p曲线连续3段为线性，可认为第i点为s-p曲线线性段起始点。s-p曲线线性起始点一般在预试验(试验调试)或使用载荷试验阶段确定。
[0047]
(b)确定载荷百分数的搜索步长，搜索步长取ds＝5％～10％。
[0048]
(c)i＝1，以第1点(p＝ds)值作为计算起始点和测点数据的截距。计算α3(p＝3ds)和α4(p＝4ds)，判断α3和α4是否满足式(8)。若满足，则第1点即是s-p曲线线性段起始点；反之，则i＝i 1。
[0049]
(d)以第i点(p＝ids)值作为计算起始点和测点的截距。计算α
i 2
(p＝(i 2)ds)和α
i 3
(p＝(i 3)ds)，判断α
i 2
和α
i 3
是否满足式(8)。若满足，则i点开始连续3段是线性的，第i点即是s-p曲线线性段起始点，标记此点值作为此测点数据的截距；反之，则i＝i 1，重复步骤(c)。
[0050]
(e)若在使用载荷试验，应变传感器读数没有找到线性段起始点，则该传感器可能损坏，或试验有严重的非线性，此传感器不作为损伤监测的依据。
[0051]
步骤(2)，在静力试验或热强度试验设计载荷试验阶段，以确定的线性段起始点为起点，重新确定广义刚度数据；
[0052]
(a)在重新确定广义刚度(柔度)时，载荷百分数步长对广义刚度(柔度)数据的影响较大，若步长太小，则测量误差引起的广义刚度(柔度)误差较大；若步长太大，则广义刚度(柔度)的分辨率不足。工程中，载荷在小于70％设计载荷时，载荷百分数步长可取ds＝5％～10％，其他载荷百分数步长一般取ds＝0.5％～5％。另外，计算中若有重复数据(如保载时的载荷百分数及对应的应变和位移)，用后面采集的数据更新数据。
[0053]
(b)以s-p曲线线性段起始点值为截距并以该点为起点(第1点)，按规定步长逐步从第3点开始计算αi(第i载荷百分数下的广义刚度(柔度)相位)、βi(分贝形式广义刚度(柔度)幅值)。计算公式为公式(6)和(7)。在预试验或使用载荷试验阶段，若s-p曲线线性段起始点未确定，该起始点可近似取10％～20％设计载荷点。
[0054]
步骤(3)，根据重新确定后的广义刚度数据，给出静力试验和热强度试验结构损伤预警判据，基于结构损伤预警判据和广义刚度相位-载荷百分数曲线形态，定位损伤源。
[0055]
静力试验和热强度试验结构损伤预警判据如下：
[0056][0057]
式中，α
i应变
为应变广义刚度相位；β
i应变
为分贝形式应变广义刚度幅值。αd为广义刚度相位阈值；βd为分贝形式广义刚度幅值阈值。αd和βd值应根据试验结果给出。αd和βd的推荐值如表1所示。一般的，若应变传感器精度高，αd和βd的值可取较小值，反之，αd和βd的值可取较大值，较大值和较小值分别以10deg和3db为基准。
[0058]
表1αd和βd的推荐值
[0059]
序号变量推荐值1αd/deg10
±
52βd/db3
±
1.5
[0060]
α和β值和结构的材料、结构构型、传感器精度、传感器粘贴质量、损伤类型、损伤扩展路径以及传感器和损伤部位的距离等有关，其值不能直接用来判定损伤。利用静力试验/热强度试验损伤预警判据(式9)对满足该判据的应变传感器进行预警，继续观察预警应变传感器的α-p曲线，若出现损伤波，则判定该应变传感器周围有损伤。若几个相邻应变传感器的α-p曲线同步出现损伤波，则判定这些应变传感器反映的是同源损伤，应变传感器的损伤波峰值越高，则该应变传感器距离损伤源越近。
[0061]
步骤(4)，根据重新确定后的广义刚度数据，给出热强度试验结构加载保护判据，基于结构加载保护判据判断加载部位的失稳或损伤。
[0062]
热强度试验结构加载保护判据如下：
[0063]
α
i位移
＞α
d orβ
i位移
＞βdꢀꢀꢀ
(10)
[0064]
式中，α
i位移
为位移广义刚度相位；β
i位移
为分贝形式位移广义刚度幅值；αd为广义刚度相位阈值；βd为分贝形式广义刚度幅值阈值。αd和βd应根据试验结果给出。αd和βd的推荐值
如表1所示。若位移传感器的精度较高，αd和βd可取较小值，较大值和较小值分别以10deg和3db为基准。
[0065]
若满足判据且广义刚度随着载荷的增加能恢复，可认为是局部失稳。若广义刚度不能恢复，则结构整体失稳或有了大面积损伤。工程中可用作动筒的行程作为位移输出，判断作动器加载区域附近的局部失稳或损伤，若该判据满足，除破坏试验外，应立即停止试验，检查局部区域，采取修补等相应措施。
[0066]
利用热强度试验加载保护判据(式10)判断作动筒加载部位附近结构的失稳和损伤，并采取相应的保护措施。
[0067]
以上结合具体实施方式对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0068]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。