複合材料損傷識別方法及系統的製作方法
2023-06-01 01:11:51
複合材料損傷識別方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種複合材料損傷識別方法及裝置，所述方法包括：檢測在複合材料的目標識別區域設置的至少兩條傳感路徑的電導率；將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於所述各條傳感路徑或目標識別區域的損傷係數；根據所述各條傳感路徑的損傷係數，計算所述目標識別區域上預先設定的各節點的損傷概率，通過分析所述損傷概率得到所述目標識別區域的損傷面積。本發明提出的技術方案能夠在減少結構增重和無須對現有的複合材料的結構設計方案進行大幅度修改的情況下，有效實現對複合材料的損傷識別。
【專利說明】複合材料損傷識別方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明實施例涉及測試工程【技術領域】，尤其涉及一種複合材料損傷識別方法及裝置。
【背景技術】
[0002]目前，為了達到民用飛機減重、減阻、減排的要求，並保證在未來民用航空市場上的競爭力，通常會在民機結構中應用纖維增強樹脂基複合材料。複合材料具有優異的比強度、比剛度、抗疲勞和耐腐蝕性能，其整體式結構可減少構件數量，有效減輕飛機重量和裝配複雜程度，提高飛機結構效率，延長使用壽命，降低使用和維護費用，其應用比例已成為衡量民機產品先進性的關鍵指標之一。
[0003]然而，飛機中的複合材料結構雖具有較好的力學性能，但由於其導電性能較差，若不採用相應的防護措施，會在遭受閃電衝擊後產生災難性的破壞，例如閃電衝擊的高電壓會擊穿絕緣材料和局部結構，閃電衝擊的高電流會使導電不連續處起火，造成材料燒蝕，進而引起飛機的機械性能大幅度下降。同時，當閃電附著在飛機上某個位置或鄰近某位置放電時，閃電電流的瞬態過程會產生強大的閃電脈衝電磁場，在電磁耦合效應的作用下，將會有部分閃電能量傳導或輻射到機載電子電氣設備上，從而導致設備出現故障。
[0004]為防止複合材料結構中出現大規模的閃電衝擊損傷，現有技術中的一種解決方案是:在複合材料試件上覆蓋一層閃電衝擊防護層。此方案能夠在一定程度上保護飛機經受多次閃電衝擊。但是，防護層的添加嚴重增加了飛機的結構重量和檢修維護成本，在很大程度上抵消了採用複合材料所帶來的性能提升。
[0005]為此，現有技術採用了另一種解決方案:在複合材料中摻入納米顆粒，以在儘量少增加其重量的前提下提高其導電性。但是，在現有技術中，並不能夠對因閃電衝擊等因素引起的複合材料導電性能的損傷進行有效識別，嚴重威脅飛機的飛行安全。
【發明內容】
[0006]本發明提供一種複合材料損傷識別方法及裝置，以在減少結構增重和無須對現有的複合材料的結構設計方案進行大幅度修改的情況下，有效實現對複合材料的損傷識別。
[0007]第一方面，本發明實施例提供了一種複合材料損傷識別方法，該方法包括:
[0008]檢測在複合材料的目標識別區域設置的至少兩條傳感路徑的電導率；
[0009]將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於所述各條傳感路徑或目標識別區域的損傷係數；
[0010]根據所述各條傳感路徑的損傷係數，計算預先設定的所述目標識別區域上各節點的損傷概率，通過分析所述損傷概率構建所述目標識別區域的損傷圖像，以得到所述目標識別區域的損傷面積。
[0011]第二方面，本發明實施例還提供了一種複合材料損傷識別裝置，該裝置包括:
[0012]檢測在複合材料的目標識別區域設置的至少兩條傳感路徑的電導率；
[0013]將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於所述各條傳感路徑或目標識別區域的損傷係數；
[0014]根據所述各條傳感路徑的損傷係數，計算預先設定的所述目標識別區域上各節點的損傷概率，通過分析所述損傷概率構建所述目標識別區域的損傷圖像，以得到所述目標識別區域的損傷面積。
[0015]本發明利用複合材料面內的電導率會隨著因閃電衝擊等因素引起的損傷大小的變化而變化這一特點，在複合材料的目標識別區域設置多條傳感路徑，進而通過檢測這些傳感路徑的導電率，並將所檢測的電導率與基準的電導率進行對比分析，來得到對應於目標識別區域的損傷識別結果。本發明提出的技術方案，一方面在減少結構增重且無須對現有的複合材料的結構設計方案進行大幅度修改的情況下，有效實現了對複合材料的損傷識別；另一方面通過分析所獲取的多條傳感路徑的電導率來得到損傷識別結果，避免了因單條傳感路徑發生故障而引起的系統誤差，提高了損傷識別的精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明實施例一提供的一種複合材料損傷識別方法的流程示意圖；
[0017]圖2是本發明實施例一提供的一種電導率測量網絡示意圖；
[0018]圖3是本發明實施例一提供的兩類損傷係數計算方法的原理示意圖；
[0019]圖4是本發明實施例一提供的一種為傳感路徑定義的橢圓形影響區域的示意圖；
[0020]圖5是本發明實施例二提供的一種複合材料損傷識別裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本發明，而非對本發明的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本發明相關的部分而非全部結構。
[0022]圖1為本發明實施例一提供的一種複合材料損傷識別方法的流程示意圖，本實施例可適用於當由複合材料製成的飛機降落後，對複合材料結構的損傷進行識別的情況，該方法可以由複合材料損傷識別裝置來執行，所述裝置可由軟體和/或硬體實現。參見圖1，複合材料損傷識別方法具體包括如下步驟:
[0023]步驟110、檢測在複合材料的目標識別區域設置的至少兩條傳感路徑的電導率。
[0024]在本實施例中，可預先在複合材料的目標識別區域上設置多個激勵器和傳感器，每個激勵器與傳感器之間構成一條傳感路徑。其中，目標識別區域可以由技術人員根據經驗選定的易發生損傷的區域，也可由複合材料損傷識別裝置根據之前對複合材料的損傷識別結果選取的區域。如圖2所示的電導率測量網絡，該網絡包括ab'、A9'、B8'、DD'等多條待測量的傳感路徑，每條傳感路徑上的一個節點(如a)為激勵器，另一個節點(如b')為傳感器。
[0025]複合材料損傷識別裝置可通過設定的輪換順序依次給不同的激勵器施加輸入電信號，從傳感器採集輸出電信號，根據這些輸入輸出電信號來測量相應傳感路徑上的電導率。具體的，檢測電導率的過程可包括:通過在複合材料的目標識別區域設置的至少一個激勵器發出輸入電信號，且通過目標識別區域設置的至少一個傳感器採集輸出電信號；根據所述輸入電信號和輸出電信號，計算獲取激勵器和傳感器間的至少兩條傳感路徑的電導率。其中，任意一條傳感路徑上的電導率同該條傳感路徑上的輸出電信號與輸入電信號的比值成正比，即輸出電信號與輸入電信號的比值越大，電導率也就越大。
[0026]步驟120、將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於各條傳感路徑或目標識別區域的損傷係數。
[0027]本實施例可通過按照設定的算法來衡量所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率之間的差異程度，進而根據該差異程度生成對應於各條傳感路徑或目標識別區域的損傷係數。
[0028]相關係數可用來顯示兩個變量之間線性關係的強度和方向，因此本實施例可通過相關分析的方法(即相關係數法)來計算損傷係數。其物理意義上可描述如下:當損傷位置距離某條傳感路徑越近時，對該條傳感路徑上或周圍的節點影響越嚴重，因此導致所檢測到的該條傳感路徑的電導率與基準電導率的差異程度越大，計算所得的相關係數越趨近於O ;反之，當損傷位置距離某條傳感路徑越遠時，對該條傳感路徑上或周圍的節點影響越輕微，因此導致基準信號和損傷信號間的差異程度越小，計算所得的相關係數越趨近於I。
[0029]在本實施例的一個具體的實施方式中，按照相關係數法將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於目標識別區域的損傷係數，具體包括:
[0030]根據如下公式(I)計算對應於目標識別區域的損傷係數:
【權利要求】
1.一種複合材料損傷識別方法，其特徵在於，包括: 檢測在複合材料的目標識別區域設置的至少兩條傳感路徑的電導率； 將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於所述各條傳感路徑或目標識別區域的損傷係數； 根據所述各條傳感路徑的損傷係數，計算所述目標識別區域上預先設定的各節點的損傷概率，通過分析所述損傷概率得到所述目標識別區域的損傷面積。
2.根據權利要求1所述的複合材料損傷識別方法，其特徵在於，檢測在複合材料的目標識別區域設置的至少兩條傳感路徑的電導率，包括: 通過在複合材料的目標識別區域設置的至少一個激勵器發出輸入電信號，且通過目標識別區域設置的至少一個傳感器採集輸出電信號； 根據所述輸入電信號和輸出電信號，計算獲取所述激勵器和傳感器間的至少兩條傳感路徑的電導率。
3.根據權利要求1所述的複合材料損傷識別方法，其特徵在於，將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於所述目標識別區域的損傷係數，包括: 根據如下公式計算對應於所述目標識別區域的損傷係數:
其中，DSc為所述目標識別區域的損傷係數，P x,y為相關係數，η為傳感路徑的條數，i為大於等於2的自然數，Xi為檢測到的第i條傳感路徑的電導率，Yi為預設的第i條傳感路徑的基準電導率。
4.根據權利要求1所述的複合材料損傷識別方法，其特徵在於，將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於所述目標識別區域的損傷係數，包括: 根據如下公式計算對應於所述目標識別區域的損傷係數:
其中，DSs為所述目標識別區域的損傷係數，η為傳感路徑的條數，i為大於等於2的自然數，Xi為檢測到的第i條傳感路徑的電導率，Yi為預設的第i條傳感路徑的基準電導率。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的複合材料損傷識別方法，其特徵在於，根據所述各條傳感路徑的損傷係數，計算所述目標識別區域上預先設定的各節點的損傷概率，通過分析所述損傷概率得到所述目標識別區域的損傷面積，包括: 根據如下公式計算預先設定的所述目標識別區域上預先設定的各節點的損傷概率:
判斷所計算的節點的損傷概率是否大於等於設定的損傷閾值，如果是，則標記該節點所在的預設範圍內的區域屬於損傷區域；根據所標記的損傷區域構建所述目標識別區域的損傷圖像，得到所述目標識別區域的損傷面積； 其中，P(x，y)為在所述目標識別區域上坐標為(X，y)的節點的損傷概率，k為大於等於2的自然數，N為傳感路徑的條數，PkU，y)為第k條傳感路徑的損傷對所述坐標為(X，y)的節點的影響因子，Ak為第k條傳感路徑的損傷係數，Wk[Rk(x，y)]為第k條傳感路徑的損傷係數分布在所述坐標為(x，y)的節點上的加權因子。
6.根據權利要求5所述的複合材料損傷識別方法，其特徵在於，根據如下公式計算所述加權因子Wk [Rk (χ, y)]:
或者，根據如下公式計算所述加權因子Wk[Rk(x，y)]:
其中，Rk(χ，y)為所述坐標為(χ，y)的節點與第k條傳感路徑的相對距離，β為縮放係數，WpA、ω和R。均為預設的常量。
7.根據權利要求6所述的複合材料損傷識別方法，其特徵在於，根據如下公式計算所述相對距離Rk(x，y):
其中，所述Da,k(x，y)為第k條傳感路徑上的激勵器到所述坐標為(X，y)的節點的距離，Ds,k(x, y)為第k條傳感路徑上的傳感器到所述坐標為(X，y)的節點的距離，Dk為第k條傳感路徑上的激勵器到傳感器的距離。
8.一種複合材料損傷識別裝置，其特徵在於，包括: 電導率獲取單元，用於檢測在複合材料的目標識別區域設置的至少兩條傳感路徑的電導率； 損傷係數生成單元，用於將所檢測到的各條傳感路徑的電導率與預設的各條傳感路徑的基準電導率按照設定的算法進行對比分析，生成對應於所述各條傳感路徑或目標識別區域的損傷係數； 損傷面積生成單元，用於根據所述各條傳感路徑的損傷係數，計算所述目標識別區域上預先設定的各節點的損傷概率，通過分析所述損傷概率得到所述目標識別區域的損傷面積。
9.根據權利要求8所述的複合材料損傷識別裝置，其特徵在於，所述電導率獲取單元，具體用於: 通過在複合材料的目標識別區域設置的至少一個激勵器發出輸入電信號，且通過目標識別區域設置的至少一個傳感器採集輸出電信號；根據所述輸入電信號和輸出電信號，計算獲取所述激勵器和傳感器間的至少兩條傳感路徑的電導率。
10.根據權利要求8所述的複合材料損傷識別裝置，其特徵在於，所述損傷係數生成單元，具體用於: 根據如下公式計算對應於所述目標識別區域的損傷係數:
其中，DSc為所述目標識別區域的損傷係數，P x,y為相關係數，η為傳感路徑的條數，i為大於等於2的自然數，Xi為檢測到的第i條傳感路徑的電導率，Yi為預設的第i條傳感路徑的基準電導率。
11.根據權利要求8所述的複合材料損傷識別裝置，其特徵在於，所述損傷係數生成單元，具體用於: 根據如下公式計算對應於所述目標識別區域的損傷係數:
其中，DSs為所述目標識別區域的損傷係數，n為傳感路徑的條數，i為大於等於2的自然數，Xi為檢測到的第i條傳感路徑的電導率，Yi為預設的第i條傳感路徑的基準電導率。
12.根據權利要求8-11中任意一項所述的複合材料損傷識別裝置，其特徵在於，所述損傷面積生成單元，具體用於: 根據如下公式計算預先設定的所述目標識別區域上預先設定的各節點的損傷概率:
判斷所計算的節點的損傷概率是否大於等於設定的損傷閾值，如果是，則標記該節點所在的預設範圍內的區域屬於損傷區域； 根據所標記的損傷區域構建所述目標識別區域的損傷圖像，以得到所述目標識別區域的損傷面積； 其中，P(x，y)為在所述目標識別區域上坐標為(X，y)的節點的損傷概率，k為大於等於2的自然數，N為傳感路徑的條數，PkU，y)為第k條傳感路徑的損傷對所述坐標為(X，y)的節點的影響因子，Ak為第k條傳感路徑的損傷係數，Wk[Rk(x，y)]為第k條傳感路徑的損傷係數分布在所述坐標為(x，y)的節點上的加權因子。
13.根據權利要求12所述的複合材料損傷識別裝置，其特徵在於，所述損傷面積生成單元，具體用於: 根據如下公式計算所述加權因子Wk[Rk(x，y)]:
或者，根據如下公式計算所述加權因子Wk[Rk(x，y)]:
其中，Rk(χ，y)為所述坐標為(χ，y)的節點與第k條傳感路徑的相對距離，β為縮放係數，WpA、ω和R。均為預設的常量。
14.根據權利要求13所述的複合材料損傷識別裝置，其特徵在於，所述損傷面積生成單元，具體用於: 根據如下公式計算所述相對距離Rk (x，y):
其中，所述Da,k(x，y)為第k條傳感路徑上的激勵器到所述坐標為(X，y)的節點的距離，Ds,k(x, y)為第k條傳感路徑上的傳感器到所述坐標為(X，y)的節點的距離，Dk為第k條傳感路徑上的激勵器到傳感器的距離。
【文檔編號】G01N27/04GK104181205SQ201410018884
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2014年1月15日
【發明者】王棟, 徐吉峰 申請人:中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心, 中國商用飛機有限責任公司