基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，属于故障预测与健康管理技术领域。本发明专利技术采用在线导波结构健康监测方法在线监测结构中裂纹的萌生和扩展，当监测到新的裂纹萌生，更新多裂纹扩展状态方程中裂纹分量和裂纹扩展方程数目，构建多裂纹耦合下的裂纹扩展规律，并更新粒子集。结合导波结构健康监测方法获得的在线观测值，通过正则化粒子滤波在线估计多裂纹扩展状态向量的后验概率密度函数。通过模型参数的后验估计更新裂纹扩展模型，以裂纹长度的后验估计为起点预测各个裂纹在未来时刻的扩展轨迹。本发明专利技术可以有效地实现结构中多裂纹的在线监测和预测，在结构多裂纹扩展预测方面具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法
本专利技术涉及一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，属于故障预测与健康管理

技术介绍
故障预测与健康管理(PrognosticsandHealthManagement，PHM)技术通过传感器在线获取工程系统相关的信息，基于该信息对系统的健康状态进行实时诊断和预测。PHM技术对于保障结构安全性和可靠性，制定最佳的运行和维护策略具有重要的理论意义和工程应用价值。工程结构作为工程系统的承载平台，其损伤诊断和预测方法对于PHM技术至关重要。在交变服役载荷作用下，工程结构的主要损伤形式为疲劳裂纹。对于老龄化结构，单个结构单元中常常会出现多个疲劳裂纹并扩展的情况。多个裂纹的扩展和聚合可能使得结构突然失效，造成灾难性事故。然而，由于疲劳裂纹扩展过程是一个包含各种不确定性的随机过程，比如材料微观结构的不确定性、服役载荷的不确定性、以及环境参数不确定性等。这些不确定性使得疲劳裂纹的起裂和扩展存在很大的分散性。同时多个裂纹之间的相互作用，使得多裂纹起裂和扩展问题比结构中存在单个裂纹的情况更加复杂，包含更多的不确定性。近年来，基于结构健康监测方法和粒子滤波的裂纹扩展预测方法得到越来越多的关注，其通过贝叶斯滤波理论融合结构当前的裂纹长度观测值和先验裂纹扩展模型，以消除上述不确定性因素对于疲劳裂纹扩展预测的影响。在结构健康监测方法中，基于导波的结构健康监测方法具有小损伤敏感，可实现区域监测等优点，得到广泛关注并开始逐渐应用于工程实际中。因此，结合导波结构健康监测和粒子滤波方法实现多裂纹扩展预测非常具有应用前景。但是对于单一结构中存在多个裂纹的问题，每个裂纹的起裂和扩展并不是在同一个时刻，确定裂纹的萌生，以及表征多裂纹的扩展规律对多裂纹的疲劳裂纹扩展预测至关重要。
技术实现思路
本专利技术针对结构中的多裂纹扩展可靠预测问题，提出一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，旨在结合导波结构健康监测方法对结构疲劳裂纹的萌生和扩展进行监测，同时动态更新多裂纹扩展状态方程中裂纹分量个数，结合正则化粒子滤波理论实现结构多裂纹损伤状态的在线监测和预测。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，包括如下步骤：(1)离线状态下，基于实验数据建立结构多裂纹扩展状态和结构损伤程度指数之间的映射关系；从反映结构损伤程度变化的导波信号中提取多种损伤因子，组成多维导波损伤因子向量；建立损伤因子向量和结构损伤程度指数的多维非线性映射关系；(2)在结构服役的初始时刻k＝0，对算法进行初始化；设定初始裂纹的个数n＝1；根据结构的几何形式和服役条件确定结构中单个裂纹的裂纹扩展状态方程；在结构上布置压电传感网络，通过导波结构健康监测方法在线监测结构疲劳裂纹的萌生和扩展；(3)在结构服役过程中的当前时刻k，计算每个粒子中各个裂纹分量的形状修正系数；结合定义的多裂纹状态方程，从重要性密度函数中采样得到新的粒子集；(4)通过压电传感器网络激励和采集导波信号，判断监测区域是否萌生新的裂纹；如果没有监测到裂纹萌生，则直接进行步骤(5)；如果监测到新的裂纹萌生，则动态更新多裂纹扩展状态方程中的裂纹分量数，以及裂纹扩展方程数目；同时更新粒子集，新增裂纹长度分量，其裂纹长度初始化为当前导波结构健康监测方法的裂纹监测阈值；更新裂纹总的裂纹数目n＝n+1，然后进行步骤(5)；(5)对于每个粒子，计算每个粒子对应的结构损伤程度指数；从导波结构健康监测方法得到的导波信号中提取损伤因子向量，计算结构损伤程度指数的观测似然概率密度函数；通过该观测似然概率密度函数给每个粒子加权，并对所有粒子的权值进行归一化；(6)通过粒子集和相应的权值近似各个裂纹分量的裂纹长度，以及裂纹扩展模型参数的后验概率密度函数；通过裂纹扩展模型参数的后验估计更新裂纹扩展模型；(7)以各个裂纹的裂纹长度的后验估计作为起点，采用参数更新后的裂纹扩展模型对多个裂纹在未来时刻的裂纹扩展进行预测；(8)根据每个粒子的归一化权值，使用系统重采样算法进行重采样，并对粒子进行正则化处理；(9)进行到下一时刻k＝k+1，并重复步骤(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)。步骤(1)中所述结构损伤程度指数定义为标量D，其为结构所有裂纹长度a＝[a1,a2,...,az]的函数，如下所示，D＝ζ(a)其中：a1为第1个裂纹的长度，a2为第2个裂纹的长度，az为第z个裂纹的长度，z取结构中最多存在的裂纹数目；ζ(·)为通过试验数据得到的映射函数，对于共线裂纹，取ζ(·)为所有裂纹的长度的线性求和；对于非共线裂纹，ζ(·)为通过试验数据训练得到的非线性映射模型；同时在试验中获取特定损伤程度对应的导波结构健康监测数据，从导波信号中提取多种损伤因子，组成导波损伤因子向量y，建立导波向量和结构损伤程度之间的多维非线性映射关系如下式所示y＝g(D)+ν其中：y为导波损伤因子向量，ν为观测噪声，g(·)为多维非线性映射。步骤(3)中从重要性密度函数中采样得到新的粒子集的步骤如下：(a)根据结构应力强度因子手册计算多裂纹耦合条件下，每个粒子中各个裂纹分量的形状修正系数其中分别为k时刻第i个粒子的第1个，第2个，第n个裂纹分量的形状修正系数；(b)基于各个裂纹的形状修正系数，计算每个粒子的应力强度因子幅和应力强度因峰值，获得k时刻粒子的裂纹长度分量如下所示，其中：和分别表示k时刻第i个粒子中第1个，第2个，第n个裂纹的长度，和分别表示k-1时刻第i个粒子中第1个，第2个，第n个裂纹的长度，ω1,k-1，ω2,k-1，和ωn,k-1为服从高斯分布的裂纹扩展噪声，exp(·)为自然指数函数，ΔN循环载荷数步长，和分别为第i个粒子中第1个，第2个，第n个裂纹分量的裂纹扩展速率，其通过上述NASGRO模型计算得到；(c)粒子中的参数向量由下式得到，其中：为k时刻第i个粒子的裂纹扩展模型参数分量，为k-1时刻第i个粒子的裂纹扩展模型参数分量。步骤(4)中对裂纹扩展状态方程和粒子集的更新方式如下，如果监测到新的裂纹萌生，首先在已有n个裂纹的基础上，新增第n+1个裂纹的裂纹长度分量和裂纹扩展方程，下式所示为更新后的多裂纹扩展状态方程其中：k为离散的时刻，n为当前时刻裂纹个数，a1,k为k时刻第1个裂纹的裂纹长度，a2,k为k时刻第2个裂纹的裂纹长度，an,k为k时刻第n个裂纹的裂纹长度，an+1,k为k时刻第n+1个裂纹的裂纹长度；a1,k-1为k-1时刻第1个裂纹的裂纹长度，a2,k-1为k-1时刻第2个裂纹的裂纹长度，an,k-1为k-1时刻第n个裂纹的裂纹长度，an+1,k-1为k时刻第n+1个裂纹的裂纹长度；ωn+1,k-1为新增的第n+1个裂纹的裂纹扩展噪声，(da1/dN)|k-1，(da2/dN)|k-1，(dan/dN)|k-1和(dan+1/dN)|k-1分别为第1个，第2个，第n个，第n+1个裂纹的裂纹扩展速率；然后对粒子集进行更新，每个粒子中的裂纹长度向量由更新为其中新增第n+1个裂纹的裂纹长度分量该分量的初始值设定为当前导波结构健康监测方法的裂纹监测阈值ath，并且将变量n设置为n＝n+1。本专利技术的有益效果如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)离线状态下，基于实验数据建立结构多裂纹扩展状态和结构损伤程度指数之间的映射关系；从反映结构损伤程度变化的导波信号中提取多种损伤因子，组成多维导波损伤因子向量；建立损伤因子向量和结构损伤程度指数的多维非线性映射关系；(2)在结构服役的初始时刻k＝0，对算法进行初始化；设定初始裂纹的个数n＝1；根据结构的几何形式和服役条件确定结构中单个裂纹的裂纹扩展状态方程；在结构上布置压电传感网络，通过导波结构健康监测方法在线监测结构疲劳裂纹的萌生和扩展；(3)在结构服役过程中的当前时刻k，计算每个粒子中各个裂纹分量的形状修正系数；结合定义的多裂纹状态方程，从重要性密度函数中采样得到新的粒子集；(4)通过压电传感器网络激励和采集导波信号，判断监测区域是否萌生新的裂纹；如果没有监测到裂纹萌生，则直接进行步骤(5)；如果监测到新的裂纹萌生，则动态更新多裂纹扩展状态方程中的裂纹分量数，以及裂纹扩展方程数目；并同时更新粒子集，新增裂纹长度分量，其裂纹长度初始化为当前导波结构健康监测方法的裂纹监测阈值；更新裂纹总的裂纹数目n＝n+1，然后进行步骤(5)；(5)对于每个粒子，计算其对应的结构损伤程度指数；从导波结构健康监测方法得到的导波信号中提取损伤因子向量，计算结构损伤程度指数的观测似然概率密度函数；通过该观测似然概率密度函数给每个粒子加权，并对所有粒子的权值进行归一化；(6)通过粒子集和相应的权值近似各个裂纹分量的裂纹长度，以及裂纹扩展模型参数的后验概率密度函数；通过裂纹扩展模型参数的后验估计更新裂纹扩展模型；(7)以各个裂纹的裂纹长度的后验估计作为起点，采用参数更新后的裂纹扩展模型对多个裂纹在未来时刻的裂纹扩展进行预测；(8)根据每个粒子的归一化权值，使用系统重采样算法进行重采样，并对粒子进行正则化处理；(9)进行到下一时刻k＝k+1，并重复步骤(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)离线状态下，基于实验数据建立结构多裂纹扩展状态和结构损伤程度指数之间的映射关系；从反映结构损伤程度变化的导波信号中提取多种损伤因子，组成多维导波损伤因子向量；建立损伤因子向量和结构损伤程度指数的多维非线性映射关系；(2)在结构服役的初始时刻k＝0，对算法进行初始化；设定初始裂纹的个数n＝1；根据结构的几何形式和服役条件确定结构中单个裂纹的裂纹扩展状态方程；在结构上布置压电传感网络，通过导波结构健康监测方法在线监测结构疲劳裂纹的萌生和扩展；(3)在结构服役过程中的当前时刻k，计算每个粒子中各个裂纹分量的形状修正系数；结合定义的多裂纹状态方程，从重要性密度函数中采样得到新的粒子集；(4)通过压电传感器网络激励和采集导波信号，判断监测区域是否萌生新的裂纹；如果没有监测到裂纹萌生，则直接进行步骤(5)；如果监测到新的裂纹萌生，则动态更新多裂纹扩展状态方程中的裂纹分量数，以及裂纹扩展方程数目；并同时更新粒子集，新增裂纹长度分量，其裂纹长度初始化为当前导波结构健康监测方法的裂纹监测阈值；更新裂纹总的裂纹数目n＝n+1，然后进行步骤(5)；(5)对于每个粒子，计算其对应的结构损伤程度指数；从导波结构健康监测方法得到的导波信号中提取损伤因子向量，计算结构损伤程度指数的观测似然概率密度函数；通过该观测似然概率密度函数给每个粒子加权，并对所有粒子的权值进行归一化；(6)通过粒子集和相应的权值近似各个裂纹分量的裂纹长度，以及裂纹扩展模型参数的后验概率密度函数；通过裂纹扩展模型参数的后验估计更新裂纹扩展模型；(7)以各个裂纹的裂纹长度的后验估计作为起点，采用参数更新后的裂纹扩展模型对多个裂纹在未来时刻的裂纹扩展进行预测；(8)根据每个粒子的归一化权值，使用系统重采样算法进行重采样，并对粒子进行正则化处理；(9)进行到下一时刻k＝k+1，并重复步骤(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)。2.根据权利要求1所述的基于动态裂纹数目的粒子滤波多裂纹扩展预测方法，其特征在于：步骤(1)中所述结构损伤程度指数定义为标量D，其为结构所有裂纹长度a＝[a1,a2,...,az]的函数，如下所示，D＝ζ(a)其中：a1为第1个裂纹的长度，a2为第2个裂纹的长度，az为第z个裂纹的长度，z取结构中最多存在的裂纹数目；ζ(·)为通过试验数据得到的映射函数，对于共线裂纹，取ζ(·)为所有裂纹的长度的线性求和；对于非共线裂纹，ζ(·)为通过试验数据训练得到的非线性映射模型；同时在试验中获取特定损伤程度对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁慎芳，陈健，邱雷，王卉，金鑫，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32