一种工程结构方向性损伤主动监测与评估方法

摘要

本发明公开一种工程结构方向性损伤主动监测与评估方法，首先在待测结构上围绕待测区域布置若干组线性压电激励/传感阵列，使得所有阵列扫描监测的范围合并后能够覆盖整个待测结构区域；并分别采集结构健康状态下各组阵列所有激励/传感通道的Lamb波基准响应信号和损伤状态下的Lamb波响应信号，将二者对应相减，提取损伤散射信号；根据损伤散射信号及其相位之间的相干性，计算得到损伤方向信息和主激励器位置，对方向性损伤进行成像，得出损伤的位置和长度，从而分析、判定被监测结构的健康情况。此种方法能够提高对裂纹、结构断裂等方向性损伤的监测精确度，保障结构安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种板类工程结构主动Lamb波损伤监测的方法，尤其涉及一种 基于压电激励/传感线阵的工程结构方向性损伤主动监测与评估方法。

背景技术

随着对结构安全性、可靠性要求的不断提高，结构损伤的在线监测和评估日 益引起人们的高度重视。如在新能源风力发电领域，近些年我国各地建设的大规 模风电场，其中的风机叶片结构长期服役于恶劣自然环境下，易受到风沙、紫外 线、雨雪等侵蚀，而发生损伤。为了防止结构损伤所带来的灾难或损失，必须对 结构进行有效的监测，并实时评估损伤的扩展情况，确保结构的安全性。

裂纹、局部断裂等损伤具有一定的方向性，而此类损伤对结构安全性的破坏 很大，能瞬间引起结构的失效，引发重大安全事故，如风力发电机叶片，当结构 发生裂纹后，由于载荷、外部侵蚀等作用，很容易发生裂纹扩展而导致叶片的断 裂，断裂后会造成整个风机系统的重心失偏，引起其他叶片的断裂乃至整个风机 系统的损坏。板壳类结构的在线健康监测技术中，由于传播距离远、对微小损伤 敏感等特性，Lamb波监测技术具有较好的应用前景。然而现有的Lamb波结构损 伤监测技术研究，大多采用分布式压电激励器/传感器阵列方法，以提高监测效 率，但受到信号传播方向、损伤散射角度等因素的制约，从各传感信号中很难提 取出与损伤方向相关的信息，也就只能实现损伤位置和大致范围等信息的诊断和 评估，很难提供裂纹等损伤的方向、长度以及扩张趋势等诊断评估结果；超声相 控阵技术应用于Lamb波结构损伤监测时，由于对阵列中激励器/传感器之间的间 距有严格的限制，其线阵为密集阵列，受监测系统采集通道数量、待测结构几何 特性等因素的限制，阵列长度有限，而方向性损伤产生的反射或散射信号具有一 定的角度，往往不能返回到有限长度的阵列上而导致监测不到损伤，同时，超声 相控阵监测技术给出的损伤监测结果仅能判断出在某一方向上距离阵列某一距 离存在损伤，无法分清该损伤是否存在方向性，以及是否存在进一步的扩展等。

基于以上考虑，本发明人针对现有的结构损伤主动监测和评估方法进行研究 改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种工程结构方向性损伤主动监测与评估方法，其 应用线性压电激励/传感阵列，在现有结构损伤监测设备条件基础上，利用激励 器两侧传感器获取的损伤散射信号之间的相干性，诊断出损伤的方向性，进而评 估损伤的长度和扩展趋势等，提高对裂纹、结构断裂等方向性损伤的监测精确度， 保障结构安全。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种工程结构方向性损伤主动监测与评估方法，包括如下步骤：

(1)在待测结构上，根据待测区域的范围，围绕待测区域布置若干组线性 压电激励/传感阵列，使得所有阵列扫描监测的范围合并后能够覆盖整个待测结 构区域；

(2)分别采集结构健康状态下各组阵列所有激励/传感通道的Lamb波基准 响应信号；

(3)分别采集结构损伤状态下各组阵列所有激励/传感通道的Lamb波响应 信号；

(4)将步骤(2)中得到的Lamb波基准响应信号与步骤(3)中得到的结构 损伤后Lamb波响应信号对应相减，提取各组阵列所有激励/传感通道下的差信 号，即损伤散射信号；

(5)根据前述各组阵列得到的损伤散射信号及其相位之间的相干性，计算 得到损伤方向信息和主激励器位置；

(6)基于损伤方向计算值和主激励器位置，对方向性损伤进行成像，得出 损伤的位置和长度，从而分析、判定被监测结构的健康情况。

上述步骤(1)中，线性压电激励/传感阵列中压电元件的间距相等，且由损 伤长度监测精度而定，每组线性压电激励/传感阵列扫描监测待测区域中相同的 角度范围，所有阵列监测扫描范围互补，合并后覆盖整个待测结构区域。

上述步骤(2)的详细步骤为：

(21)在结构健康状态下，选定一组线性压电激励/传感阵列中非阵列端点 的一个压电元件作为激励器，通过函数发生器和功率放大器将窄带信号加载到该 压电激励器上，选择合适的激励频率，在结构中激发以单模态为主的Lamb波信 号；

(22)选定该阵列中不同于前述激励器的另一个压电元件作为传感器获取所 述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计 算机中，得到健康状态下该激励/传感通道的响应信号；

(23)依次选定该阵列中非阵列端点的各压电元件作为激励器，其他元件作 为传感器，得到该组阵列中所有激励/传感通道下的结构健康状态下的Lamb波响 应信号；

(24)依此选定其他阵列，重复步骤(21)-(23)，得到所有阵列激励/ 传感通道下的结构健康状态下的Lamb波响应信号。

上述步骤(3)的详细步骤为：

(31)当结构发生方向性损伤时，选定一组线性压电激励/传感阵列中非阵 列端点的一个压电元件作为激励器，通过函数发生器和功率放大器将与步骤(21) 中相同的窄带信号加载到该激励器上，在结构中激发Lamb波信号；

(32)选定该阵列中不同于前述激励器的另一个压电元件作为传感器获取所 述结构响应信号，经电荷放大器将该结构响应信号传感、放大并采集进入控制计 算机中，得到损伤状态下该激励/传感通道的响应信号；

(33)依次选定该阵列中非阵列端点的各压电元件作为激励器，其他元件作 为传感器，得到该组阵列中所有激励/传感通道下的结构损伤状态下的Lamb波响 应信号；

(34)依此选定其他阵列，重复步骤(31)-(33)，得到所有阵列激励/ 传感通道下的结构损伤状态下的Lamb波响应信号。

上述步骤(5)的详细步骤为：

(51)确定损伤散射信号相位相干性计算中所需的传感器数量2n，n为正 整数，且小于各阵列所含压电元件数的1/2；

(52)选定一组压电阵列，选择从该阵列其中一个端点开始第n+1个压电元 件作为激励器，其两侧对称的2n个传感器所获得的损伤散射信号进行相位相干 性计算，即在设定角度扫描范围内，按照激励器两侧传感器到激励器的距离以及 扫描角度α，调整该2n个损伤散射信号的相位延时，确保来自该扫描角度的散 射信号同步到达激励器两侧对称的2n个传感器上，并将该扫描角度下相位延时 后的各损伤散射信号叠加，获得相干合成损伤散射信号；在扫描范围内，以一定 的扫描角度间隔，调整扫描角度α，得到该激励器激励下所有扫描角度的相干 合成损伤散射信号；

(53)依此选择压电元件作为激励器直至距离该阵列另一个端点n个压电元 件为止，重复步骤(52)，得到该阵列下所有扫描相干合成损伤散射信号；

(54)重复步骤(52)、(53)得到所有阵列的扫描相干合成损伤散射信号；

(55)求取所有扫描相干合成损伤散射信号中幅值最大的信号，以其所在的 激励器为主激励器，并以其所在的扫描角度的垂直法相方向为损伤的方向。

上述步骤(6)中，以已确定的主激励器为中心，将阵列虚拟旋转至相同的 方向，同时，根据时间反转成像原理中的椭圆规则，在已知损伤方向的基础上， 对可能的损伤成像区域作进一步的约束，仅对椭圆短轴与椭圆的交点及其附近区 域成像赋值，得到损伤成像结果，进而评估方向性损伤的长度，并通过主激励器 的变化情况评估方向性损伤的扩展趋势。

本发明的基本原理是：首先对待测结构区域进行扫描，并根据损伤散射信号 相位信息获得方向信息。当线性压电激励/传感阵列中的某一压电元件激发出的 Lamb波信号垂直入射损伤反射面时，损伤散射信号将沿入射方向返回到阵列， 远场情况下，该反射信号场近似为线性波阵面，从而可以通过调理激励源相邻传 感器信号中的损伤反射信号相位就可以得到损伤方向。其次在测得方向上根据损 伤散射信号能量分布重构损伤图像，获得损伤长度、范围以及扩展趋势等信息。 由于已测得损伤的方向和主激励器的位置，以主激励器为中心，将线阵虚拟旋转 与损伤方向同向，此时，根据远场假设，各传感器获得的损伤散射信号与损伤反 射面垂直，因此存在损伤散射信号波包的传感器覆盖的长度即为损伤的长度，据 此进行损伤成像，并对成像结果进行阈值化处理，即可得到损伤的长度信息。连 续监测过程中，如方向性损伤发生扩展，则主激励器的位置将发生变化，损伤成 像的长度也会改变，据此实现损伤的扩展趋势评估，成像过程中由于是针对特定 方向的相干叠加成像，因此结构边界等引起的反射信号无法相干叠加而互相抵 消，从而消除了边界干扰。上述的监测与评估方法实现了对方向性损伤的特征表 征和扩展趋势评估，具有更好的实际工程应用价值。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

(1)本发明可以实现裂纹、断裂等方向性损伤细节特征的评估和诊断，有 利于Lamb波结构损伤监测技术的实用化，对保障结构安全更具有实际价值；

(2)相对于现有的损伤成像评估方法，本发明对损伤成像结果的表征更加 清晰，对边界反射等干扰抑制显著；

(3)本发明在实现过程中无需更改或增加设备和参数，利用现有硬件系统 就可以实现，适用性广。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

在实施例中，单组线性压电激励/传感阵列中的压电元件数量为15；

图2是中心频率为200kHz的窄带激励信号波形时域图；

图3是结构健康与损伤状态下的典型结构结构响应信号及它们之间的差信 号(即损伤散射信号)的Time-Amplitude(时间-振幅)示意图；

图中：a、9#压电元件作为激励器(Actuator)、7#压电元件作为传感器 (Sensor)时，结构健康(Healthy)及损伤(Damaged)状态下的结构响应信号 及损伤散射信号；b、3#压电元件作为激励器、1#压电元件作为传感器时，结构 健康及损伤状态下的结构响应信号及损伤散射信号；

图4是3#-13#压电元件分别作为激励器时获得的相干合成损伤散射信号最 大峰值及其对应的扫描角度分布图；

图5是方向性损伤成像原理示意图；

图6是采用本发明方法得到的损伤成像监测结果；

图中，黑实线表示损伤的实际位置。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，是本发明一种工程结构方向性损伤主动监测与评估方法所采用 的一个实施例的试件及压电布局，其中试件为T6061铝板结构，尺寸为 600mm×600mm×2mm，在实验试件表面建立坐标系，坐标原点O设置为结构的左 下角。

本实施例包括下列步骤：

(1)在待测结构上，根据待测区域的范围，围绕待测区域布置若干组线性 压电激励/传感阵列，阵列中压电元件的间距相等，由损伤长度监测精度而定， 不受监测信号半波长的限制。每组阵列扫描监测待测区域中相同的角度范围，所 有阵列扫描监测范围互补，合并后能够覆盖整个待测结构区域。

根据结构几何特征，在结构的四侧距离边界100mm处各布置一组线性压电激 励/传感阵列，选用的压电元件直径为8mm，厚度0.48mm。每组线性压电激励/ 传感阵列的扫描角度α为45°～135°，各组阵列扫描区域组合后将覆盖整个结 构表面。实施过程中设定压电元件之间的间距为30mm，数量为15，编号从左至 右依次为1#，2#，3#，……，15#。此时，在扫描角度α下，损伤长度监测精度 为l_min＝30sinαmm。

为叙述方便，本实施例中以下方的这一组线性压电激励/传感阵列为例，介 绍本发明的实施过程。

(2)分别采集结构健康状态下各组阵列所有激励/传感通道的Lamb波基准 响应信号：

在本实施例中，选定参与损伤散射信号相干性计算的传感器数量为4，因此， 在结构健康状态下，轮流选择3#-13#阵元作为激励器，其他阵元作为传感器， 激励信号选择为如图2所示的5波峰正弦调制窄带信号，中心频率为200kHz， 此时激发出的Lamb波结构响应信号以S₀模式为主。结构响应信号经电荷放大器 放大，通过数据采集卡采集进入控制计算机中，得到健康状态下线性压电激励/ 传感阵列中所有激励/传感通道的响应信号h_ij(t)，其中下标i表示激励器编号，j 表示传感器编号。结构健康状态下典型Lamb波结构响应信号如图3所示。

(3)分别采集结构损伤状态下各组阵列所有激励/传感通道的Lamb波响应 信号：

本实施例中采用金属条粘贴的形式模拟方向性损伤的发生，为不失一般性， 模拟损伤布置在中心位置为(455mm，316.5mm)，法线与线阵夹角约60°的位置 上，长度为100mm。此时，轮流选择3#-13#阵元作为激励器，其他阵元作为传感 器，采用与步骤(2)相同的激励信号、激励方式及结构响应信号采集方式，得 到结构损伤状态下线性压电激励/传感阵列中所有激励/传感通道的响应信号 d_ij(t)，其中下标i表示激励器编号，j表示传感器编号。结构损伤状态下典型Lamb 波结构响应信号如图3所示。

(4)提取所有激励/传感通道下的差信号，即损伤散射信号：

将步骤(2)中得到的Lamb波基准响应信号与步骤(3)中得到的结构损伤 后Lamb波响应信号对应相减，得到各激励/传感通道下的损伤散射信号f_ij(t)：

f_ij(t)＝d_ij(t)-h_ij(t)

(5)根据前述各组阵列得到的损伤散射信号及其相位之间的相干性，计算 得到损伤方向信息和主激励器位置：

如图1所示，当前扫描角度为α时，当第i个压电元件作为激励器，如果损 伤的法相方向与扫描角度相同，则监测信号经损伤反射或散射后返回到阵列，信 号到达第j个压电元件和第i个压电元件的相位近似时间差Δt_ji为

Δt_ji＝ds/v＝(j-i)dcosα/v

其中，v为Lamb波波包的群速度，ds为信号沿α方向传播时到第j个压电 元件和第i个压电元件的行程差，d为线性压电激励/传感阵列中压电元件的间 距，在本实施例中为30mm。以α为自变量，将各传感器获得的损伤散射信号延 时Δt_ji，补偿由于行程差引起的相位时间差，则当α恰为损伤法线方向与线阵的 夹角时，各传感信号中的损伤放射信号到达时间实现同步，将延时补偿后的各损 伤放射信号进行叠加，此时会获得最高峰值，从而确定α值。为便于确定损伤的 中心位置信息，判断损伤的长度和扩展情况，在处理过程中选择激励器两侧对称 有限2n个传感器获得的损伤散射信号带入计算，本实施例中设定参与计算的传 感信号数量为4，即n＝2。基于上述原理，主激励器的编号i和损伤方向信息α值 通过计算所有阵列的扫描相干合成损伤散射信号的峰值确定，这一过程可由下式 表述：

$[i,\alpha ]=max\left[\underset{j=i-n}{\overset{i+n}{\Sigma }}{f}_{ij}(t-(i-j)dcos\alpha /v){|}_{i=n+1:N-n}\right]$

上式中，f为损伤散射信号，下标表示压电元件编号；N为压电元件总数 (本实施例中为15)，d为线性压电激励/传感阵列中压电元件的间距。本实施 例中，得到的3#-13#压电元件分别作为激励器时，获得的相干合成损伤散射信 号最大峰值及其对应的扫描角度如图4所示，根据计算结果，9#压电元件激励时， 63°方向的损伤反射信号最为强烈，因此判定损伤方向上的法线与线性压电激励 /传感阵列夹角为63°，损伤中心位置沿法线投射到阵列9#压电元件附近。根据 之前的模拟损伤真实位置和角度，监测误差为3°。

(6)基于损伤方向计算值和主激励器位置，对方向性损伤进行成像，得出 损伤的位置和长度等，从而分析、判定被监测结构的健康情况：

由于已知了损伤的方向以及主激励器，以确定了的主激励器9#压电元件为 中心，将阵列虚拟旋转至相同的方向，由于结构边界等区别于损伤的方向，阵列 旋转过程中各自的反射信号相干关系被破坏，仅存损伤方向上的反射场信息；同 时，根据时间反转成像原理中的椭圆规则，在已知损伤方向的基础上，对可能的 损伤成像区域可以作进一步的约束，仅对椭圆短轴与椭圆的交点及其附近区域成 像赋值，如图5所示。据此，对于扫描出的损伤法向方向α_max以及主激励器i_max(本 实施例中为63°和9#压电元件)，损伤成像赋值过程可由下式表述：

$S_{new}(x,y)=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_j{f}_j\left(\frac{R_{xy}^{i_{\max }}+R_{xy}^j}{v}\right)e^{\frac{-r}{\sigma }}{|}_i,$

$R_{xy}^i=\sqrt{{(x-x_{i_{max}})}^2+{(y-y_{i_{max}})}^2},$

$R_{xy}^j=\sqrt{{(x-x_j+{\mathrm{dscos\alpha }}_{max})}^2+{(x_v-y_j+{\mathrm{dssin\alpha }}_{max})}^2}$

式中，r为当前点(x,y)到所在椭圆短轴和椭圆交点的距离，σ为衰减系数， 分别为当前点(x,y)到主激励器和阵列旋转后的传感器j的距离。处 理得到的损伤监测结果如图6所示，可以清晰地看到最终的监测结果，同时，有 效克服了边界反射等引起的干扰。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围， 凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本 发明保护范围之内。