一种复合材料损伤检测评估方法和系统技术方案

一种复合材料损伤检测评估方法和系统，涉及复合材料损伤检测。复合材料损伤检测评估系统设有综合控制模块、数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块。复合材料损伤检测评估方法：利用蓝噪声采样对激光超声导波场进行欠采样；通过稀疏变换和稀疏促进策略对欠采样的激光超声导波场进行分析，重构全波场；通过对全波场进行计算机视觉显示度的稀疏编码分析，计算得出结构的损伤信息；将结构中的损伤信息代入有限元模型，预测结构剩余寿命。实现对激光超声导波场的快速采集，以及后续对导波场进行自动化的视觉显著度分析以识别结构中损伤。有效减少激光超声导波场的采集时间。提升激光超声导波损伤评估的自动化水平。

Damage detection and evaluation method and system for composite material

The invention relates to a composite material damage detection evaluation method and system, which relates to composite material damage detection. The composite damage detection and evaluation system is composed of an integrated control module, a data acquisition module, a full wave field data reconstruction module, a damage feature extraction module and a residual life prediction module. Evaluation method for damage detection of composite materials: sampling of laser ultrasonic guided wave field sampling using blue noise; through sparse transform and sparse strategy to promote the laser ultrasonic guided undersampling of wave field, wave field reconstruction; based on the full wave field of computer visual display and analysis of sparse encoding, calculated the damage information structure; damage information into the finite element model of structure, residual life prediction structure. The rapid acquisition of the laser guided wave field and the visual saliency analysis of the guided wave field are carried out to identify the damage in the structure. The acquisition time of laser guided wave field can be effectively reduced. Improving the automatic level of laser guided wave damage evaluation.

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料损伤检测评估方法和系统
本专利技术涉及复合材料损伤检测，尤其是涉及一种复合材料损伤检测评估方法和系统。
技术介绍
飞机大型复合材料结构属于承力结构，尺寸大、形状复杂，尺寸小则几平方米，多则几十上百平米；型面复杂或含交叉、拐角部位及封闭区域。对大型复合材料结构的检测，不仅要求有效、可靠，还要求对大型复合材料结构各部位进行快速的原位检测。目前应用于大型复合材料结构检测的无损检测技术难以准确快速地检测结构在制造和使用过程中的缺陷和损伤。激光超声检测技术作为一种新兴无损检测技术，其原理是利用激光来激发和接收超声波，进而检测材料及结构中损伤，在复合材料检测方面具有非接触、高精度的特点和复杂型面检测与原位检测能力，近年来得到了快速发展。已被空客用于A380、A350复合材料结构检测的美国iPhoton公司iPLUS激光超声检测系统，可以控制机械手臂向待检结构点发出激光并接收激光回波，对大型复合材料复杂结构进行自动化检测，具有较高的检测效率。另一方面，激光超声导波检测技术通过重构导波全波场分析损伤对导波的散射，进而提取损伤的相关信息。激光超声导波检测技术不仅具有激光超声检测在改进制造过程、自动化快速检测、剩余强度与剩余寿命预测方面带来的优势，相对其它激光超声方法还具有单点扫描影响小、可消除伪缺陷、抗干扰性强等优点，对大型复合材料结构的检测具有相当大的优势和潜力。其中西安金波开发的“超声波可视化检测仪”利用激光激励结构中的超声导波，用压电陶瓷传感器采集信号，通过对所需监测的结构部位进行逐点激励，经过处理得到该部位的导波场，可以直观的反映结构中的损伤。基于相似的原理，南京航空航天大学的裘进浩课题组(ZhangC,QiuJ,JiH.LaserUltrasonicImagingforImpactDamageVisualizationinCompositeStructure.EWSHM-7thEuropeanWorkshoponStructuralHealthMonitoring,2014,Nantes,France)、英国Sheffield大学的Staszewski课题组[StaszewskiWJ,LeeBC,MalletL,ScarpaF.Structuralhealthmonitoringusingscanninglaservibrometry:I.Lambwavesensing.SmartMaterialsandStructures,2004,13:251-260]、美国Georgia理工学院的Michaels课题组[RuzzeneM,JeongSM,MichaelsTE,MichaelsJE,MiB.Simulationandmeasurementofultrasonicwavesinelasticplatesusinglaservibrometry.ReviewofProgressinQuantitativeNondestructiveEvaluation,2005,24:172-179]、韩国KAIST的HoonSohn课题组[AnYK,ParkB,SohnH.Completenoncontactlaserultrasonicimagingforautomatedcrackvisualizationinaplate.SmartMaterialsandStructures,2013,22:025022]在激光超声导波的损伤特征提取、信号处理方面做了大量的研究工作，促进了激光超声导波检测技术的发展。激光超声导波全波场重建技术对监测部位的扫描时间较长，对于大面积复合材料结构显得有些难以接受。扫描时间长主要体现在两个方面：1)需要对结构部位逐点扫描，扫描点间隔要求非常精细，因此扫描点的数目很大；2)每一次扫描要求上次的波场必须完全耗散，这就使扫描的时间间隔不能无限制压缩。如何在不影响损伤识别效果的前提下，能减少激光超声导波的扫描时间，是亟需解决的问题。另一方面，现有的超声导波检测方法虽然不需要结构材料参数为先验信息，但是在损伤识别前通常需要对结构参数进行摸底分析以知悉结构中导波的群速度等参数，然后才能基于一些损伤识别方法对结构中的损伤进行识别。如何利用导波场不经过结构参数分析，直接得到损伤信息，是激光超声导波检测技术得以自动化应用需要解决的问题。综上所述，如何针对激光超声导波全波场重建的逐点扫描技术和损伤识别技术的特点和不足，减少面向全波场分析的激光超声导波扫描采集时间，快速、自动评价复合材料结构中的损伤对复合材料结构安全性和可靠性的影响，是一个极富挑战性的课题。全波场为定位和定量损伤提供了丰富的信息，但是全波场测量流程非常耗时，原因如下：①需要在同一点多次测量以提升信噪比；②需要大量的测点保证采样满足Shannon-Nyquist定理，避免漏掉重要信息；③必须等上一次激励的导波场完全耗散才能进行下一步的采集。因此，有必要通过减少测量点数来减少采样时间。压缩采样理论通过开发信号的稀疏特性，在远小于Shannon-Nyquist采样率的欠采样情况下，用随机采样获取信号的离散样本，借助非线性重建算法实现信号的完美重建。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合材料损伤检测评估系统。本专利技术的另一目的在于提供一种复合材料损伤检测评估方法。所述复合材料损伤检测评估系统设有综合控制模块、数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块；所述综合控制模块分别与数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块连接，数据采集模块的输出端与全波场数据重建模块的输入端连接，全波场数据重建模块的输出端与损伤特征提取模块的输入端连接，损伤特征提取模块的输出端与剩余寿命预测模块的输入端连接。综合控制模块与数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块相连，用于协调、控制整个系统的工作；数据采集模块负责与硬件相连，驱动激光器的扫描运动，激励、采集信号；全波场数据重建模块根据数据采集模块采集到的欠采样数据，通过稀疏变换和稀疏促进策略重构激光超声导波的全波场；损伤特征提取模块根据全波场数据，通过损伤定量特征三步提取方法提取损伤信息；剩余寿命预测模块根据损伤特征提取模块的分析结果，预测结构的剩余寿命。各模块的具体工作内容如下：1)综合控制模块综合控制模块与数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块相连，用于协调、控制整个系统的工作。a)综合控制模块通过内部总线控制对其他四个模块进行综合管理，控制整个流程是否进行；b)综合控制模块需要有一定的自检功能，判断其余四个模块是否可以正常工作；c)综合控制模块要有外部接口，可以转移控制权或向上级系统上传数据。2)数据采集模块数据采集模块负责与硬件相连，驱动激光器的扫描运动，激励、采集信号。a)数据采集模块要有选择蓝噪声采样模式的功能，可以驱使激光器按照不同的采样格式进行扫描；b)数据采集模块可以根据不同材料的导波耗散时间设置逐次扫描的时间间隔；c)数据采集模块可以向综合控制模块发送采集的数据进行存储，也要向下游的全波场数据重建模块发送数据进行下一步运算；d)数据采集模块要有扫描轨迹自动运算的功能，生成激光器在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料损伤检测评估系统，其特征在于设有综合控制模块、数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块；所述综合控制模块分别与数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块连接，数据采集模块的输出端与全波场数据重建模块的输入端连接，全波场数据重建模块的输出端与损伤特征提取模块的输入端连接，损伤特征提取模块的输出端与剩余寿命预测模块的输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料损伤检测评估系统，其特征在于设有综合控制模块、数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块；所述综合控制模块分别与数据采集模块、全波场数据重建模块、损伤特征提取模块、剩余寿命预测模块连接，数据采集模块的输出端与全波场数据重建模块的输入端连接，全波场数据重建模块的输出端与损伤特征提取模块的输入端连接，损伤特征提取模块的输出端与剩余寿命预测模块的输入端连接。2.一种复合材料损伤检测评估方法，其特征在于包括以下步骤：1)首先利用蓝噪声采样对激光超声导波场进行欠采样；2)通过稀疏...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙虎，卿新林，王奕首，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35