基于多维波速可信度加权的复合材料板结构冲击判位方法

技术领域

本发明属于结构健康监测的载荷监测技术领域，具体提出了一种基于多维波速可信度加权的复合材料板结构冲击判位方法。

背景技术

随着现代科学技术及工业制造技术的飞速发展，飞行器结构的性能逐步得到提高，现代飞行器的结构主要是由金属材料与非金属材料制造而成，而非金属材料又以复合材料为主。易遭受冲击的机头、机翼和机身的结构，现阶段多采用复合材料制造而成。复合材料的抗冲击性能差，受到冲击载荷易导致复合材料结构内部分层、基体开裂、纤维断裂等损伤，使结构强度、稳定性下降。需要对低速冲击载荷进行实时监测，将冲击载荷作用位置、冲击载荷大小或冲击能量大小辨识出来，及时制定维修计划，可以在一定程度上降低维护结构完整性所使用的费用，并进一步提高结构的安全性和延长飞行器服役周期。

目前，关于大型结构的低速冲击定位技术的研究开展较为广泛，犹他大学的PaulTikalsky等人提出了一种一维波束聚焦定位算法，将一维阵列传感器对向布置在结构的边缘，对大型结构进行冲击定位实验，取得了较好的定位结果.Pratik Shrestha等人采用六个光纤光栅传感器组成线性阵列，基于误差异常估计冲击定位算法，对30cm×30cm的飞机机翼结构进行了低速冲击定位实验，最终定位结果的平均误差在2.9cm.孟瑶等人提出了一种基于十字型传感器布置方法的二维波束聚焦概率成像定位算法，在横向阵列与纵向阵列各生成一个关于冲击源的概率分布图，将横纵阵列得到的概率分布图进行叠加融合，得到冲击位置。

上述方法有的需要大量先验知识测定波速，过程繁琐；有的仅适用于各向同性材料，适用范围较窄。因此，针对目前复合材料板面结构的冲击定位方法的不足，需要研究无需大量先验知识，简单快速、实用性强的新方法。为此，本发明提出了一种基于多维波速可信度聚焦的复合材料板结构冲击判位方法。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对目前复合材料板面结构的冲击定位方法的不足，无需大量先验知识，适用性广的一种基于多维波速可信度聚焦的复合材料板结构冲击判位方法。

步骤一：四边固支板面光纤FBG传感网络布置；具体为：

以边长为l四边固支复合材料板为正方形应变监测区域OABC，板面上布置有分布式光纤FBG传感器网络，由9个光纤FBG传感器组成；其中，中心位置光纤FBG传感器编号为FBG0和四周位置光纤FBG传感器编号依次为FBGi,i∈(1,2,...8)，i为各四周光纤传感器的编号；中心光纤传感器FBG0位于板面的几何中心其位置坐标设为(0,0)，四周光纤传感器FBGi以等间距形式布置于以中心传感器为圆心、半径为

步骤二：；用光纤FBG传感器实时采集信号，冲击信号经过小波变换，用广义互相关求解冲击信号的时间延迟；具体为：

对于单次冲击，中心光纤传感器FBG0接受的信号为m

式中，a为伸缩因子，表示对母小波函数在时间轴上的伸缩，a>1表示伸展，a<1表示收缩，b为平移因子,表示对母小波函数中心位置的左右平移；t为时间变量；

任意平方可积函数f(t)的连续小波变换公式如下：

W

对小波变换得到的信号m′

其中τ为冲击产生的应力波从冲击位置传递到光纤光栅传感器处所需的时间；f为频数变量；e作为数学常数，是自然对数函数的底数；

计算两传感器检测到应力波的波达时间差，其公式为：

使得

步骤三：测定多方向下该复合材料板的应力波波速范围，根据波达时延和波速范围，确定冲击点的初步范围；具体为：

在复合材料板面中心及四个顶角设定共5个冲击测试点进行冲击，对每个冲击测试点都根据9个传感器接收到应力波的具体时间与各传感器具体位置获得9个不同上方向的应力波波速，取5*9个应力波波速的最大值作为v

将板面划分出n×n,n∈[50,80]个小正方形网格，边长为

传感器对中FBG0和FBGi关于网格节点之间的距离的差值定义为δ

R

根据距离的双曲线理论,当距离差δ

若板面所有方向上的应力波波速一致且恒定为V，则该传感器对中FBG传感器接收到冲击信号的时间延迟ΔT0i为：

ΔT

将8个四周光纤传感器FBGi分别与中心光纤传感器FBG0配对，能够得到8组光纤FBG传感器对，若已知每一组传感器对的ΔT0i与V，可根据式(7)求得距离差δ

由于复合材料板结构的各向异性特点，使得相应的波速V为不确定量，故求得的距离差δ

其中δ

式(8)中v

根据冲击信号的波速V和波达时延ΔT

由于存在8组光纤FBG传感器对，故可求得8个初步冲击范围为S

步骤四：设定判位偏差e，根据e计算八组传感器关于网格节点的横纵坐标可信度矩阵；具体为：

由于真实冲击位置(X,Y)与其最近网格点的横纵坐标必小于等于网格边长的一半，故设定网格边长的一半定义为判位偏差e，

其中Ri和R0可由式(5)求出，

由于判位偏差e为固定值，距离偏差Δδ越大，该传感器组对于距离差δ

将八组传感器对与板面上的全部网格点，按照式(10)、式(11)、式(12)开展计算，能够得到八组传感器对关于全部网格点的横、纵坐标距离偏差Δδx、Δδy；

将所有网格节点相对于不同传感器对的距离偏差Δδx、Δδy定义为可信度K

步骤五：对冲击点的初步范围内的网格节点进行可信度加权，确定冲击点的位置；具体为：

对于步骤三中求得的8个初步冲击范围S

网格节点M的总权值Q

/>

将复合材料板面上全部网格点进行可信度加权计算，求得各网格点横纵坐标的总权值Q

有益效果

基于多维波速可信度聚焦的复合材料板结构冲击判位方法，该方法通过板结构上所布置的光纤布拉格光栅传感网络测得的载荷响应信号来实现施加载荷的位置辨识。本发明适用于四边固支复合材料板结构的载荷辨识等工程应用领域，所具备的优点是：仅需采用9个光纤FBG传感器构成传感网络，相较于传统传感方式，具有线路布置简单、抗电磁干扰能力强等优点。采用小波变换对原始冲击响应信号进行低频去噪处理滤掉不相关的部分，并用广义互相关求得FBG传感器响应信号的波达时延。其次，本发明针对复合材料板各向异性的特点，通过将冲击产生的应力波波速视为范围量无需精确测量波速，并考虑到光纤FBG传感器采样率较低，通过波达时延与应力波波速范围确定初步的冲击范围。最后，设置多组传感器并进行网格化可信度加权，进一步提高了载荷定位精度。

附图说明

图1是复合材料板结构光纤Bragg光栅传感器布置图；

图2是一维波速聚焦示意图

图3是FBG1和FBG0组确定的初步冲击范围图

图4是载荷辨识流程图；

具体实施方式

步骤一：四边固支板面光纤FBG传感网络布置；具体为：

以边长为l四边固支复合材料板为正方形应变监测区域OABC，板面上布置有分布式光纤FBG传感器网络，由9个光纤FBG传感器组成；其中，中心位置光纤FBG传感器编号为FBG0和四周位置光纤FBG传感器编号依次为FBGi,i∈(1,2,...8)，i为各四周光纤传感器的编号；中心光纤传感器FBG0位于板面的几何中心其位置坐标设为(0,0)，四周光纤传感器FBGi以等间距形式布置于以中心传感器为圆心、半径为

步骤二：；用光纤FBG传感器实时采集信号，冲击信号经过小波变换，用广义互相关求解冲击信号的时间延迟；具体为：

对于单次冲击，中心光纤传感器FBG0接受的信号为m

式中，a为伸缩因子，表示对母小波函数在时间轴上的伸缩，a>1表示伸展，a<1表示收缩，b为平移因子,表示对母小波函数中心位置的左右平移；t为时间变量；

任意平方可积函数f(t)的连续小波变换公式如下：

W

对小波变换得到的信号m′

其中τ为冲击产生的应力波从冲击位置传递到光纤光栅传感器处所需的时间；f为频数变量；e作为数学常数，是自然对数函数的底数；

计算两传感器检测到应力波的波达时间差，其公式为：

使得

步骤三：测定多方向下该复合材料板的应力波波速范围，根据波达时延和波速范围，确定冲击点的初步范围；具体为：

在复合材料板面中心及四个顶角设定共5个冲击测试点进行冲击，对每个冲击测试点都根据9个传感器接收到应力波的具体时间与各传感器具体位置获得9个不同上方向的应力波波速，取5*9个应力波波速的最大值作为v

将板面划分出n×n,n∈[50,80]个小正方形网格，边长为

传感器对中FBG0和FBGi关于网格节点之间的距离的差值定义为δ

R

根据距离的双曲线理论,当距离差δ0i为定值时，能够判断该冲击点位于中心光纤传感器FBG0和四周光纤传感器FBGi所确定的双曲线上，传感器位置即为双曲线的焦点；

若板面所有方向上的应力波波速一致且恒定为V，则该传感器对中FBG传感器接收到冲击信号的时间延迟ΔT0i为：

ΔT

将8个四周光纤传感器FBGi分别与中心光纤传感器FBG0配对，能够得到8组光纤FBG传感器对，若已知每一组传感器对的ΔT0i与V，可根据式(7)求得距离差δ

由于复合材料板结构的各向异性特点，使得相应的波速V为不确定量，故求得的距离差δ

其中δ

式(8)中v

根据冲击信号的波速V和波达时延ΔT

由于存在8组光纤FBG传感器对，故可求得8个初步冲击范围为S

步骤四：设定判位偏差e，根据e计算八组传感器关于网格节点的横纵坐标可信度矩阵；具体为：

由于真实冲击位置(X,Y)与其最近网格点的横纵坐标必小于等于网格边长的一半，故设定网格边长的一半定义为判位偏差e，

其中R

由于判位偏差e为固定值，距离偏差Δδ越大，该传感器组对于距离差δ

将八组传感器对与板面上的全部网格点，按照式(10)、式(11)、式(12)开展计算，能够得到八组传感器对关于全部网格点的横、纵坐标距离偏差Δδx、Δδy；

将所有网格节点相对于不同传感器对的距离偏差Δδx、Δδy定义为可信度K

步骤五：对冲击点的初步范围内的网格节点进行可信度加权，确定冲击点的位置；具体为：

对于步骤三中求得的8个初步冲击范围S

网格节点M的总权值Q

将复合材料板面上全部网格点进行可信度加权计算，求得各网格点横纵坐标的总权值Q