一种用于结构局部损伤的监测方法与流程

1.本发明涉及但不限于结构自检测、结构故障诊断、结构损伤监测技术领域，尤指一种用于结构局部损伤的监测方法。


背景技术：

2.在智能结构自检测、结构故障诊断、结构损伤监测领域，目前通常采用以下监测方式：
3.一类是基于振动信号损伤识别方式，该识别方式在算法方面，现有基于振动信号的结构损监测方式主要通过信号处理算法，如信号滤波、小波变换、差分放大、分型维数及人工智能。该结构监测方式通常以动刚度、损伤因子、结构模态、曲率模态为损伤识别指标，这类算法监测方式的数据处理工作量较大，且很难做到实时监测。另外，由于测量数据受环境噪声的影响，数据处理难度进一步加大。
4.另一类是声子晶体检测方式，采用声子晶体缺陷态检测进行结构损伤检测时，需绘制频散曲线禁带，从频散曲线禁带中的弹性波跃迁曲线判断损伤。该检测方式存在如下问题：一方面，某些类型的结构损伤出现时，不一定能明显引起通带或弹性波传播模式的改变；另一方面，声子晶体需要借助一定数量的空间周期性(通常周期大于8)排布，才能形成带隙调控弹性波，通常很难为了匹配检测方法去构建此类多周期结构，这很难应用于工程有限尺寸的结构损伤检测。


技术实现要素：

5.本发明的目的：为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于结构局部损伤的监测方法，以解决现有算法监测方式存在数据处理工作量较大，很难做到实时监测，以及测量数据受环境噪声的影响等问题，以及现有声子晶体检测方式难以应用于工程有限尺寸的结构损伤检测的问题。
6.本发明的技术方案：本发明实施例提供一种用于结构局部损伤的监测方法，包括：
7.步骤1，根据目标结构测量要求，构建出弹性波调控结构，以形成目标结构在指定中低频的弹性波调控频带；
8.步骤2，确定传感器和作动器之间的空间分布间距，以避免弹性波在空间传播时对测量的影响；
9.步骤3，连接弹性波调控结构、传感器和作动器，并且连接电源、信号源和分析设备，形成弹性波调控装置；
10.步骤4，通过简谐激励，并采用传感器测量目标结构的位移频响函数，即frf曲线；校正弹性波调控结构对目标结构frf曲线损耗谷的形成情况，并且通过考察频率位置及传播谷的幅值变化，将目标结构在无损伤时的frf曲线设置为标准frf曲线；
11.步骤5，对布设有弹性波调控装置的整体目标结构进行损伤分析，确定目标监测频率和损伤监测指标；
12.步骤6，利用损伤监测指标开展整体目标结构的局部损伤监测，统计实时状态下的损伤指标测量值，并得到整体目标结构的损伤指标；
13.步骤7，通过分析损伤指标变化，以判断整体目标结构的局部损伤情况。
14.可选地，如上所述的用于结构局部损伤的监测方法中，所述步骤1中，
15.所述弹性波调控结构为：由局域共振超结构、惯性作动器的阵列结构所组成的；
16.通过构建出的弹性波调控结构与待测目标结构的强耦合，使得目标结构在指定中低频段附近形成新的强损耗谷。
17.可选地，如上所述的用于结构局部损伤的监测方法中，所述步骤2中，
18.所述传感器和作动器位于弹性波调控结构两边，且传感器和作动器分别与弹性波调控结构的间距为2厘米到10厘米，并且要求避让模态节点的位置。
19.可选地，如上所述的用于结构局部损伤的监测方法中，所述步骤3包括：
20.步骤3a，将弹性波调控结构、作动器、传感器通过结构胶粘贴至待测目标结构上表面，并将作动器、传感器、电源、信号源、分析设备连接，形成弹性波调控装置；或者，
21.可选地，如上所述的用于结构局部损伤的监测方法中，所述步骤3包括：
22.步骤3b，将弹性波调控结构、传感器和作动器预先在柔性玻璃纤维薄板(fr4)上进行袋压和固化，形成一体化封装的弹性波调控装置；
23.步骤3c，利用万用表、振动测试分析仪测试封装后的传感器装置信号导通情况及信号本底噪声情况，确保封装工艺的可靠性。
24.可选地，如上所述的用于结构局部损伤的监测方法中，所述步骤5包括：
25.步骤51，对布设有弹性波调控装置的整体目标结构进行损伤分析；
26.步骤52，将整体结构在目标监测频率的frf曲线幅值与对应频率下的标准frf曲线作差的绝对值作为损伤监测指标。
27.可选地，如上所述的用于结构局部损伤的监测方法中，所述步骤6包括：
28.步骤61，作动器在简谐激励下激发整体目标结构振动；
29.步骤62，采用传感器测量整体目标结构表面局部振动位移变化；
30.步骤63，对传感器测量的振动信号进行分析，获得整体目标结构的频率响应函数，即整体目标结构的frf曲线；
31.步骤64，计算整体目标结构在工作频段的frf曲线幅值差的平均值，作为损伤指标。
32.可选地，如上所述的用于结构局部损伤的监测方法中，
33.根据步骤7的分析损伤指标变化结果，在差值大于2db以上时进行实时预警提示；未出现损伤时指标值为0，指标大于2db时标定为损伤状态，0-2db区间为待核实区间。
34.本发明的有益效果：本发明实施例提供一种用于结构局部损伤的监测方法，基于局域共振超材料设计思路或惯性作动器思路，一方面，可实现对振动传递率曲线、频率响应曲线的某些中低频波谷可调，抑制弹性波传播，在中低频范围内设计弹性波传播谷；另一方面，通过监控可调传播谷附近弹性波的幅值大小变化判断是否出现弹性波传输，就可判断结构局部是否出现损伤。本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法具有如下有益效果：
35.1、采用本发明的技术方案，可以为结构局部损伤或称关键区域损伤(如裂纹、复合
材料分层及刚度下降等)的故障特征信号进行预先调制；
36.2、采用本发明的技术方案，改善了基于振动信号损伤识别方式在特征信号难以分辨、需要匹配特定的复杂运算算法的不足等缺点；本发明的方法可以直接通过振动传递率、检波器、互普分析进行故障监测；
37.3、相比于声子晶体检测方式需绘制频散曲线，从频散曲线禁带中的弹性波跃迁曲线判断损伤，本发明的技术方案更具工程化应用前景，对于振动传递率曲线或频率响应曲线，可以从频率和幅值两个维度度评估结构损伤；在局域共振结构或惯性作动器对弹性波传播的预先强调控作用，使得结构局部损伤带来的刚度、阻尼或动质量的变化均在固有频率和共振幅值上得到明显体现，有效提高预报效率；
38.4、采用本发明的技术方案，局域共振结构、惯性作动器结构可以在结构局部空间用更少的单元对中低频弹性波进行调制(衰减或增强传输)，便于在工程有限结构中布置和实施；具体的，较传统监测方法，本发明技术方案采用的传感器、作动器数量更少(例如为2-4个)，铺贴及引线更加便利；
39.5、本发明的技术方案中，弹性波调控结构、传感器、作动器可与聚酰亚胺膜(fpc)一体化制备，称柔性传感/作动功能层，柔性功能层与待测结构可采用一体化层铺固化；进一步提升传感器铺贴工艺的一致性和稳定性，改善输出信号的本底噪声；另外，信号组网测量方案简单，包括柔性传感/作动功能层、振动信号发生及分析仪。
40.可以看出，本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法，为结构局部损伤监测提供了新的思路，基于前沿的超结构设计方法完成对待测结构中弹性波的预先调制，极大简化了基于振动参数实时检测结构损伤的数值分析策略，并且提高了特定频率下位移响应幅值对结构局部损伤的敏感程度；在弹性波调控结构的设计中，进行整体封装，采用更少的传感节点、简便的算法、成熟的工艺进行低成本和可靠性设计。相比传统方式，在系统施工、调试和实际服役等环节均节省人力物力，经济性和维护性更好；另外，通过预先封装，可与复材结构件进行一体化固化成型。
附图说明
41.附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
42.图1为本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法中布设有弹性波调控装置的整体目标结构的示意图；
43.图2为本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法中采用弹性波调控装置调控前后的目标结构frf曲线的对比效果示意图；
44.图3为本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法中整体目标结构损伤前后测量得到的frf曲线的对比效果示意图；
45.图4为本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法中整体目标结构的损伤指标变化的示意图。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明
的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
47.本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
48.图1为本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法中布设有弹性波调控装置的整体目标结构的示意图。
49.实施例1
50.该实施例1以阶梯梁结构(航空、航天结构，桥梁、复合材料功能结构关键部位等)振动信号监测为例，说明采用本发明实施例1提供的用于结构局部损伤的监测方法的实施过程，包括如下步骤：
51.步骤1，根据目标结构测量要求，设计弹性波调控结构，该弹性波调控结构一般可以为：由局域共振超结构、惯性作动器等阵列结构所组成的。针对图1所示的典型阶梯梁结构设计弹性调控结构，使得阶梯梁结构在低频段400hz附近形成新的强损耗谷。图2为本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法中采用弹性波调控装置调控前后的目标结构frf曲线的示意图，图2示意出采用本发明实施例提供的监测方法针对图1所示典型阶梯梁结构所设计出的弹性波调控结构在调控前后的frf曲线的对比示意图。可以看出，低频段400hz附近形成新的强损耗谷。这类强损耗谷是由于弹性波调控结构与被测结构强耦合形成的，对结构中的特定低频弹性波进行了调控；
52.当弹性波在局部损伤结构中传播时，更加容易被损伤指标观察到。
53.步骤2，确定传感器和作动器之间的空间分布间距。如图1所示，pzt压电片(即为作动器)和柔性传感器(如压电pvdf、应变片等)
54.分别位于弹性波调控结构两边，一般为2厘米到10厘米间距，并且5尽量避开模态节点位置。
55.步骤3，将弹性波调控结构、作动器、传感器通过结构胶粘贴至结构上表面，如图1所示，并将作动器、传感器、电源、信号源、分析设备连接。其中电源、信号源及供电处理模块可以内置于振动信号发生及分析仪中。
56.0步骤4，测量传感器与作动器间的传递函数，也即通过简谐激励方式测量得到目标结构的位移频响函数，即得到目标结构的frf曲线。该步骤中，还要求校正所设计的弹性波调控结构对目标结构frf曲线损耗谷的形成情况，具体可以考察频率位置及传播谷的幅值变化。另外，将目标结构在无损伤时的frf曲线设置为标准frf曲线。5该实施例1中，参照图2所示目标结构调控前后的frf曲线的对比效果。由图2可以看出，针对该阶梯梁，调控频段在[400 500]hz范围内出现两个较大损耗谷。针对其他待测结构可同样设计中低频段[100 2000]hz弹性波损耗或增强调控结构，将现有基于振动或声波的检测频段拓展到中低频。在同一介质中，因中低频弹性波的波长较高0频弹性波长，传播距离较远，可有效避免其它结构对调控波造成的干扰，从而实现有效调控。进一步地，将无损伤时的frf曲线设置为标准frf曲线。
[0061]
步骤5，对粘贴好弹性波调控装置后的整体目标结构进行损伤分析，确定目标监测频率和损伤监测指标。具体的，将监测频率点的5frf曲线幅值(或频率范围内的平均幅值)与对应频率点的frf标准曲线作差的绝对值作为损伤监测指标。
[0063]
举例来说，基于图2中强损耗谷的位置，该实施例1中整体目标结构的频点选420hz，该频点下位移响应的幅值对损伤变化敏感，如
[0064]
图3所示，为本发明实施例中待测目标结构损伤前后的frf曲线的对比效果示意图。
[0065]
步骤6，利用损伤监测指标开展整体目标结构的局部损伤监测，统计实时状态下的损伤指标测量值。
[0066]
图4所示为本发明实施例中整体目标结构的损伤指标变化的示意图。图4中示意出通过局部损伤监测得到的分析损伤指标变化的示意图。该步骤中进行局部损伤监测的具体方式为：
[0067]
①
pzt作动器在简谐激励(激励扫频范围涵盖工作频点，如该实施例1中可选择涵盖[300 500]hz区间)下激发整体目标结构振动
→②
传感器测量整体目标结构表面局部振动位移变化
→③
通过对振动信号的分析，获得整体目标结构的频率响应函数(frf曲线)
→④
计算整体目标结构在工作频段frf幅值差的平均值作为损伤指标(该实施例1中选420hz谷值幅值3次测量的平均差值即可)。
[0068]
步骤7，分析损伤指标变化判断目标结构局部损伤，在差值大于2db以上时进行实时预警提示。各损伤状态下的指标变化如图4所示，未出现损伤时指标值为0，指标大于2db时标定为损伤状态，0-2db区间为待核实区间，可通过地面无损检测(c扫)辅助检测。
[0069]
实施例2
[0070]
该实施例2仍以典型阶梯梁结构损伤信号实时监测为例，阐述以袋压、固化工艺对复合材料结构的监测实施例。简述该该实施例的的实施过程，包括如下步骤：
[0071]
步骤1，根据目标结构测量要求，基于局域共低频弹性波调控机理设计弹性波调控结构，例如为局域共振阵列，实现特定的中低频弹性波调控频带。针对图1所示典型阶梯梁结构设计弹性波调控结构，使得阶梯梁结构在低频段400hz附近形成新的强损耗谷(如图2所示)。通过构建出的弹性波调控结构，使得弹性波在局部损伤结构中传播时，更加容易被损伤指标观察到。
[0072]
步骤2，确定传感器和作动器之间的空间分布间距，避免弹性波在空间传播时对测量的影响。如图1所示，pzt压电片(即作动器)和柔性传感器(如压电pvdf、应变片等)分别位于弹性波调控结构两边，对于复材结构考虑碳纤和树脂的作用，间距为亚波长尺度，并且尽量避开结构模态节点位置。
[0073]
步骤3，将弹性波调控结构、作动器、传感器预先在厚度为1mm左右的柔性玻璃纤维薄板(fr4)上袋压、固化，形成一体化封装形成封装结构的弹性波调控装置，并且要求保证作动器和传感器端面水平。
[0074]
该步骤在具体实施中，电源可以内置于振动信号发生及分析仪，信号及供电处理模块与弹性波调控模块一体化封装。
[0075]
步骤4，利用万用表、振动测试分析仪测试封装后的传感器装置信号导通情况及信号本底噪声情况，确保封装工艺的可靠性。
[0076]
该实施例2中，弹性波调控结构、传感器、作动器可与聚酰亚胺膜(fpc)一体化制备，称柔性传感/作动功能层，柔性功能层与待测结构可采用一体化层铺固化。进一步提升传感器铺贴工艺的一致性和稳定性，改善输出信号的本底噪声。另外，信号组网测量方案简
单，包括柔性传感/作动功能层、振动信号发生及分析仪。
[0077]
步骤5，通过简谐激励形成，采用传感器测量目标结构的位移频响函数，即得到目标结构的frf曲线。校正弹性波调控结构对目标结构frf曲线损耗谷的形成情况，考察频率位置及传播谷的幅值变化。并且将目标结构在无损伤时的frf曲线设置为标准frf曲线。
[0078]
步骤6，将封装好的弹性波调控装置后的整体目标结构进行损伤分析，确定目标监测频率和损伤监测指标。具体的，将监测频率点的frf曲线幅值(或频率范围内的平均幅值)与对应频率点的frf标准曲线作差的绝对值作为损伤监测指标。
[0079]
步骤7，利用损伤监测指标开展整体目标结构局部损伤监测，统计实时状态下的损伤指标测量值。
[0080]
如图4所示，步骤中进行局部损伤监测的具体方式为：
①
pzt作动器在简谐激励力(激励扫频范围涵盖工作频点，如该实施例2中可选择涵盖[300 500]hz区间)下激发整体目标结构振动
→②
传感器测量整体目标结构表面局部振动位移变化
→③
通过对振动信号的分析，获得整体目标结构的频率响应函数(frf曲线)
→④
计算整体目标结构在工作频段frf幅值差的平均值作为损伤指标(该实施例2中选420hz谷值幅值3次测量的平均差值即可)。
[0081]
步骤8，分析损伤指标变化判断目标结构局部损伤，在差值大于2db以上时进行实时预警提示。各损伤状态下的指标变化如图4所示，未出现损伤时指标值为0，指标大于2db时标定为损伤状态，0-2db区间为待核实区间，可通过地面无损检测(c扫)辅助检测。
[0082]
需要说明的是，本发明上述实施例1和实施例2的步骤1和2是本发明提供的用于结构局部损伤的监测方法中的两个关键步骤。步骤1中弹性波调控结构的设计必须与待测结构进行耦合，在几何参数和物理参数上需要进行优化才能得到较好的低频弹性波调控频段。步骤2中必须调整作动器与传感器间的相对距离，并且粘贴位置需与待测结构的模态分布进行匹配，保证传感器输出信号稳定不受干扰。
[0083]
本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法，基于局域共振超材料设计思路或惯性作动器思路，一方面，可实现对振动传递率曲线、频率响应曲线的某些中低频波谷可调，抑制弹性波传播，在中低频范围内设计弹性波传播谷；另一方面，通过监控可调传播谷附近弹性波的幅值大小变化判断是否出现弹性波传输，就可判断结构局部是否出现损伤。本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法具有如下有益效果：
[0084]
1、采用本发明的技术方案，可以为结构局部损伤或称关键区域损伤(如裂纹、复合材料分层及刚度下降等)的故障特征信号进行预先调制；
[0085]
2、采用本发明的技术方案，改善了基于振动信号损伤识别方式在特征信号难以分辨、需要匹配特定的复杂运算算法的不足等缺点；本发明的方法可以直接通过振动传递率、检波器、互普分析进行故障监测；
[0086]
3、相比于声子晶体检测方式需绘制频散曲线，从频散曲线禁带中的弹性波跃迁曲线判断损伤，本发明的技术方案更具工程化应用前景，对于振动传递率曲线或频率响应曲线，可以从频率和幅值两个维度度评估结构损伤；在局域共振结构或惯性作动器对弹性波传播的预先强调控作用，使得结构局部损伤带来的刚度、阻尼或动质量的变化均在固有频率和共振幅值上得到明显体现，有效提高预报效率；
[0087]
4、采用本发明的技术方案，局域共振结构、惯性作动器结构可以在结构局部空间用更少的单元对中低频弹性波进行调制(衰减或增强传输)，便于在工程有限结构中布置和
实施；具体的，较传统监测方法，本发明技术方案采用的传感器、作动器数量更少(例如为2-4个)，铺贴及引线更加便利；
[0088]
5、本发明的技术方案中，弹性波调控结构、传感器、作动器可与聚酰亚胺膜(fpc)一体化制备，称柔性传感/作动功能层，柔性功能层与待测结构可采用一体化层铺固化；进一步提升传感器铺贴工艺的一致性和稳定性，改善输出信号的本底噪声；另外，信号组网测量方案简单，包括柔性传感/作动功能层、振动信号发生及分析仪。
[0089]
可以看出，本发明实施例提供的用于结构局部损伤的监测方法，为结构局部损伤监测提供了新的思路，基于前沿的超结构设计方法完成对待测结构中弹性波的预先调制，极大简化了基于振动参数实时检测结构损伤的数值分析策略，并且提高了特定频率下位移响应幅值对结构局部损伤的敏感程度；在弹性波调控结构的设计中，进行整体封装，采用更少的传感节点、简便的算法、成熟的工艺进行低成本和可靠性设计。相比传统方式，在系统施工、调试和实际服役等环节均节省人力物力，经济性和维护性更好；另外，通过预先封装，可与复材结构件进行一体化固化成型。
[0090]
以下对本发明实施例提供的于结构局部损伤的监测方法的应用场景和应用方式进行说明：
[0091]
1、针对航空、航天结构的关键区域局部监测，通过本发明技术方案可以快速搭建局部易损伤结构的监测系统；
[0092]
2、基于局域共振结构或惯性作动器的局部弹性波调制，开展基于振动监测的传感策略、仪器系统开发；
[0093]
3、采用本发明的技术方案的弹性波调控结构可对飞机发动机吊5舱连接区域的振动进行抑制，并结合本发明技术方案开展局部损伤检测；
[0095]
4、本发明技术方案适用于弹性波在结构中传播时，进一步被局域共振结构或惯性作动器抑制或强化后，利用结构传递率、位移响应变化对主结构进行监测的方案。例如，利用本发明技术方案在医疗监0测设备中的中低频微弱信号提取与放大，实现生物信号的精准识别；
[0097]
又如，在桥梁超重监测领域实时测量桥面过载等。
[0098]
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可5以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。