基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法技术

本发明专利技术提供了一种基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法，其包括：基于半解析有限元法，计算频散曲线并确定激励信号，推导脱粘长度与相位延迟间的定量关系，设计压电片阵列并采集各路径兰姆波信号，获取各路径兰姆波信号的相位延迟信息，进行脱粘中心定位，选取关键路径计算脱粘损伤的边界点，求解包含所有脱粘边界点的最小凸多边形作为脱粘损伤的轮廓。本发明专利技术提取相位延迟作为一种新损伤指标，实现路径中脱粘长度的准确计算，具有较强的抗环境干扰能力，能够更为准确地识别内部脱粘轮廓。粘轮廓。粘轮廓。

Evaluation method of debonding profile of bonded joints based on Lamb wave phase delay

【技术实现步骤摘要】
基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法


[0001]本专利技术属于状态健康监测与无损检测
，特别是一种基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法。

技术介绍

[0002]复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优势，因此在汽车制造、航空航天等工程领域得到广泛应用。在实际应用中，复合材料构件一般需要与金属构件连接在一起，通常采用机械连接、胶接等连接方式。相比螺栓连接、铆接等机械连接方式，胶接避免了应力集中且能够减轻整体重量，因此得到了较为广泛的应用；然而，由于使用工况以及加工缺陷等不利因素，复合材料
‑
金属胶接接头内部易产生脱粘等损伤，使得连接强度下降，产生安全隐患。因此，为确保结构的连接强度、防止严重事故的发生，对复合材料
‑
金属胶接接头进行脱粘损伤的定量评估十分必要。
[0003]随着超声导波检测技术的发展，兰姆波被广泛应用于板状结构的状态健康监测与无损检测之中。兰姆波超声检测通过在试件表面激发兰姆波，通过传感器采集经过损伤的兰姆波信号并分析频率、能量、幅值等指标，从而获取损伤的位置与大小等状态信息。兰姆波能够在板状结构中传播较远距离且对损伤敏感，因此在金属板、复合材料板等结构的检测中得到了广泛应用，并展现出优越的性能。
[0004]目前，三角定位、延时叠加、稀疏重构等兰姆波检测中成熟算法在简单平面板(如铝板)检测中得到了广泛应用；然而，兰姆波在胶接结构中会产生模态转换、界面反射等复杂现象，导致一些经典算法无法直接应用于胶接接头的脱粘检测中。因此，针对胶接接头的脱粘检测，需要专门分析波包传播规律并设计检测方法。目前，人们通常提取幅值、能量等一些简单指标来反映脱粘信息，而此类指标与脱粘程度之间的定量关系先验未知且并不明确，因此在实际应用中难以实现脱粘大小甚至轮廓的定量评估。鉴于此，需要提取更加新的指标，并专门设计一种能够识别胶接接头内部脱粘轮廓的损伤检测方法。
[0005]因此，为提取更加新的指标并明确其与脱粘程度之间的定量关系，寻求一种基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法，以实现胶接接头内部脱粘轮廓的识别是十分迫切且必要的。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述现有技术中的缺陷，提出一种基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法。该方法包括基于半解析有限元法，计算频散曲线并确定激励信号，推导脱粘长度与相位延迟间的定量关系，设计压电片阵列并采集各路径兰姆波信号，获取各路径兰姆波信号的相位延迟信息，进行脱粘中心定位，选取关键路径计算脱粘损伤的边界点，求解包含所有脱粘边界点的最小凸多边形作为脱粘损伤的轮廓。本专利技术提取相位延迟作为一种较为新的损伤指标，实现路径中脱粘长度的准确计算，具有较强的抗环境干扰能力，检测快速，能够更为准确地识别内部脱粘轮廓。
[0007]本专利技术提供一种基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法，其包括以下步骤：
[0008]S1、基于半解析有限元法，计算频散曲线并确定激励信号；
[0009]S2、推导脱粘长度与相位延迟间的定量关系；
[0010]S3、设计压电片阵列并采集各路径兰姆波信号；
[0011]S4、获取各路径兰姆波信号的相位延迟信息；
[0012]S41、计算基线信号u(t)：
[0013][0014]其中，u
i
(t)表示第i条路径对应的基线信号；ω表示角频率；S(ω)表示s(t)的傅里叶变换结果；k
a
,k
b
,k
c
分别表示铝板A0模态、粘接区域第一模态和碳纤维板A0模态的波数；分别表示第i条路径中铝板、粘接区域和碳纤维板的长度；j表示虚数；t表示时间；
[0015]S42、获取第i条路径基线信号最大值左侧的第一个过零时刻并在第i条路径实测信号中寻找右侧最接近的过零时刻
[0016]S43、依次获得各路径相对于基线的谐波时间差，其中第i条路径相对于基线的谐波时间差为：
[0017][0018]S5、进行脱粘中心定位；
[0019]S51、将谐波时间差D
t
作为损伤指标输入概率成像算法，则空间中任意一点(x,y)的损伤概率值P(x,y)为：
[0020][0021]其中，N表示路径总数；σ表示标准差；d
i
表示(x,y)到第i条路径的距离；
[0022]S52、以P(x,y)最大值处的位置作为估测的脱粘中心(x
C
,y
C
)：
[0023][0024]S6、选取关键路径计算脱粘损伤的边界点；
[0025]S7、获得包含所有脱粘边界点的最小凸多边形作为脱粘损伤的轮廓：定义脱粘边界点的凸包络集H，并连接凸包络集H中包含的边界点最小包络凸多边形顶点，获得损伤轮廓。
[0026]进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0027]S21、根据选取的激励信号s(t)为窄带信号，在较窄的频带内，铝板A0模态、粘接区域第一模态和碳纤维板A0模态的波数k
a
,k
b
,k
c
与角频率ω成线性关系，进行泰勒展开，表示为：
[0028][0029][0030][0031]其中，分别表示铝板A0模态、粘接区域第一模态和碳纤维板A0模态的相速度；ω
e
表示铝板A0模态相速度与碳纤维板A0模态相速度相等时的角频率；
[0032]S22、利用频散曲线相互重叠的兰姆波模态转换规律，基于激励信号s(t)，获取无脱粘路径中接收的A0模态信号a(t)：
[0033][0034]其中，A(ω)表示幅值调制谱，考虑激励信号s(t)为窄带信号，简化为幅值系数A；l1,l2,l3分别表示路径中铝板、粘接区域和碳纤维板的长度；m表示汉宁窗信号；t
g
,t
p
分别表示无脱粘路径的包络传播时间以及谐波传播时间；
[0035]S23、获得有脱粘结构中接收的A0模态信号b(t)：
[0036][0037]其中，A1(ω),A2(ω)分别表示沿脱粘处铝板传播的波包分量的幅值调制谱和沿脱粘处碳纤维板传播的波包分量的幅值调制谱，考虑激励信号s(t)为窄带信号，简化为幅值系数A1,A2；l
d
表示脱粘长度；分别表示沿脱粘处铝板传播的波包分量包络的传播时间、沿脱粘处碳纤维板传播的波包分量包络的传播时间、有脱粘路径的谐波传播时间；
[0038]S24、根据式(7)和(10)，得到包络下谐波的相位差D
p
为：
[0039][0040]其中，表示铝板A0模态相速度与碳纤维板A0模态相速度相等时的相速度值，记作特征相速度；
[0041]S25、将相位差D
p
转换为谐波时间差D
t
：
[0042][0043]S26、得到脱粘长度l
d
与谐波时间差D
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、基于半解析有限元法，计算频散曲线并确定激励信号；S2、推导脱粘长度与相位延迟间的定量关系；S3、设计压电片阵列并采集各路径兰姆波信号；S4、获取各路径兰姆波信号的相位延迟信息；S41、计算基线信号u(t)：其中，u
i
(t)表示第i条路径对应的基线信号；ω表示角频率；S(ω)表示s(t)的傅里叶变换结果；k
a
,k
b
,k
c
分别表示铝板A0模态、粘接区域第一模态和碳纤维板A0模态的波数；分别表示第i条路径中铝板、粘接区域和碳纤维板的长度；j表示虚数；t表示时间；S42、获取第i条路径基线信号最大值左侧的第一个过零时刻并在第i条路径实测信号中寻找右侧最接近的过零时刻S43、依次获得各路径相对于基线的谐波时间差，其中第i条路径相对于基线的谐波时间差为：S5、进行脱粘中心定位；S51、将谐波时间差D
t
作为损伤指标输入概率成像算法，则空间中任意一点(x,y)的损伤概率值P(x,y)为：其中，N表示路径总数；σ表示标准差；d
i
表示(x,y)到第i条路径的距离；S52、以P(x,y)最大值处的位置作为估测的脱粘中心(x
C
,y
C
)：S6、选取关键路径计算脱粘损伤的边界点；S7、获得包含所有脱粘边界点的最小凸多边形作为脱粘损伤的轮廓：定义脱粘边界点的凸包络集H，并连接凸包络集H中包含的边界点最小包络凸多边形顶点，获得损伤轮廓。2.根据权利要求1所述的基于兰姆波相位延迟的胶接接头脱粘轮廓评估方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：S21、根据选取的激励信号s(t)为窄带信号，在较窄的频带内，铝板A0模态、粘接区域第一模态和碳纤维板A0模态的波数k
a
,k
b
,k
c
与角频率ω成线性关系，进行泰勒展开，表示为：为：
其中，分别表示铝板A0模态、粘接区域第一模态和碳纤维板A0模态的相速度；ω
e
表示铝板A0模态相速度与碳纤维板A0模态相速度相等时的角频率；S22、利用频散曲线相互重叠的兰姆波模态转换规律，基于激励信号s(t)，获取无脱粘路径中接收的A0模态信号a(t)：其中，A(ω)表示幅值调制谱，考虑激励信号s(t)为窄带信号，简化为幅值系数A；l1,l2,l3分别表示路径中铝板、粘接区域和碳纤维板的长度；m表示汉宁窗信号；t
g
,t
p
分别表示无脱粘路径的包络传播时间以及谐波传播时间；S23、获得有脱粘结构中接收的A0模态信号b(t)：其中，A1(ω),A2(ω)分别表示沿脱粘处铝板传播的波包分量的幅值调制谱和沿脱粘处碳纤维板传播的波包分量的幅值调制谱，考虑激励信号s(t)为窄带信号，简化为幅值系数A1,A2；l
d<...

【专利技术属性】
技术研发人员：华佳东，童彤，高飞，林京，张晗，王藩，赵鑫怡，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：