基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法技术

本申请公开了基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其包括采用铺带工艺进行复合材料筒段结构缠绕制作，将柔性传感器网络布置在筒段的预定厚度的结构表面；继续进行铺带缠绕实现传感器网络的埋入，进行一体化固化成型；安装传感器网络的接口，连接超声导波设备进行信号的激励和采集；采集结构无损超声导波信号构建基准数据库，通过实时信号与基准超声导波信号对比实现结构损伤诊断。利用本申请的方法可对复合材料筒段进行全寿命健康监测，可具有实时损伤诊断的特点。可具有实时损伤诊断的特点。可具有实时损伤诊断的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法


[0001]本专利技术涉及结构健康监测领域，特别涉及复合材料筒段超声导波损伤诊断方法。

技术介绍

[0002]筒段结构广泛应用于机身舱段、火箭贮箱、导弹发射筒等大型筒形装置，其构造复合材料化已成为结构轻质化发展的重要方向。与传统金属筒段结构相比，复合材料损伤的发生与扩展更具隐蔽性和突然性，因此需要开展复合材料筒段结构的损伤在线监测研究。基于压电传感器的超声导波技术具有覆盖范围大、监测效率高等技术优势，适用于大尺度结构的损伤诊断方法开发。其基本原理是在结构上布设分布式压电传感器网络，通过激励驱动器产生超声导波并由其余传感器则接收超声导波信号，通过监测各路径导波信号在损伤状态前后的变化对监测区域的损伤情况进行评价。
[0003]目前针对复合材料结构进行超声导波损伤诊断应用时，多为在已经成型的复合材料结构表面进行压电传感器安装，这会受到复合材料结构表面形状和结构装配情况的影响，导致传感器网络布置受到限制。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于克服现有技术存在的问题中的至少一种，提供一种改进的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法。
[0005]为此，本申请的一些实施例提供了一种基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，该方法包括步骤：形成所述复合材料筒段，其中所述复合材料筒段的预设厚度内布设传感器网络，并提供连接所述传感器网络的接口；通过所述接口将所述传感器网络与超声导波设备相连，使用所述超声导波设备的信号激励部分提供激励信号并通过所述传感器网络在筒段结构中产生基准超声导波信号和实时超声导波信号，并由所述超声导波设备的信号接收部分获取由所述传感器网络采集的所述基准超声导波信号和实时超声导波信号；其中所述基准超声导波信号为在复合材料筒段结构完整性良好状态下采集所述传感器网络的超声导波传播路径上的超声导波信号；其中所述实时超声导波信号为在试验环境或在役环境下实时采集的所述传感器网络的所述超声导波传播路径上的超声导波信号；通过将所述实时超声导波信号与所述基准超声导波信号计算路径损伤因子，逐个计算每个传播路径各自的路径损伤因子，基于所有计算得到的路径损伤因子，通过加权成像算法进行损伤概率重构成像，从而实现所述复合材料筒段的损伤位置的诊断。
[0006]在一些实施例中，形成所述复合材料筒段的步骤包括：根据所述复合材料筒段的结构尺寸进行基于至少四个传感器的传感器网络布局设计，然后通过将所述传感器的传感单元及连接所述传感单元电极的导线内嵌于绝缘材料中构成传感器网络，用于埋入所述所述复合材料筒段；进行所述复合材料筒段的缠绕制作，在缠绕到达预定厚度之后，将所述传感器网络按照布局设计位置安装在所述预定厚度的结构表面；所述传感器网络安装完成
后，继续进行复合材料铺带的缠绕直至将传感器网络除所述接口预留位置外完全包裹；以及对所述复合材料筒段进行高温高压固化成型。
[0007]在一些实施例中，将所述传感器网络被设置为使得其超声导波传播路径覆盖被监测区域。
[0008]在一些实施例中，所述传感器是压电传感器，所述传感单元是压电晶片，所述导线是铜箔导线，从而构成柔性传感器网络。
[0009]在一些实施例中，所述复合材料是碳纤维树脂基复合材料。
[0010]在一些实施例中，所述激励信号被选择为经汉宁窗调制的多周期正弦信号。
[0011]在一些实施例中，所述路径损伤因子为所述基准超声导波信号的时域能量与所述基准超声导波信号和所述实时超声导波信号之间的差异信号的时域能量的比值
[0012]在一些实施例中，还包括将得到的所述基准超声导波信号数据构建基准数据库并存储，以及从所述基准数据库读取所述基准超声导波信号用于计算所述损伤因子。
[0013]本申请中的实施例中的方法利用埋入式传感器网络设计，将传感器安装过程与复合材料结构成型过程相结合，可实现复合材料筒段的实时损伤诊断、和/或指定区域损伤诊断、和/或大面积覆盖损伤诊断中的至少一点。概括而言，其优点主要体现在以下三个方面：第一，本申请的实施例中的方法利用超声导波的优势，无需对复合材料筒段进行全范围的逐点检测，仅需通过传感器网络实现监测区域覆盖，节约了大量检测时间成本。第二，本申请的实施例中的方法通过集成埋入到结构内的传感器网络，例如柔性传感器网络实时采集多路径信号，能够准确地诊断损伤位置,解决了复合材料筒段中损伤实时监测问题，为其结构安全性评估提供数据支撑。第三，本申请的实施例中的方法充分运用损伤导致超声导波信号变化的特点，将实时监测信号与无损基准超声导波信号对比，通过计算路径损伤因子实现复合材料筒段结构损伤诊断的自动化和智能化。
附图说明
[0014]图1是依据本专利技术的实施例的对复合材料筒段结构进行损伤诊断的方法的流程示意图；
[0015]图2是依据本专利技术的实施例的柔性传感器网络的示意图；
[0016]图3是依据本专利技术的实施例的监测区域的传感路径覆盖示意图；
[0017]图4是依据本专利技术的实施例的传感器网络的及接口封装保护结构的示意图；
[0018]图5A是基于本专利技术的实施例的方法中水压加载试验第一阶段的超声导波损伤诊断结果示意图；
[0019]图5B是基于本专利技术的实施例的方法中水压加载试验第二阶段的超声导波损伤诊断结果示意图；
[0020]图5C是基于本专利技术的实施例的方法中水压加载试验第三阶段的超声导波损伤诊断结果示意图；
[0021]图6是根据本专利技术的实施例的方法的诊断结果与超声波探伤仪的探测结果的对比示意图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步详述。
[0023]图1所示为根据本申请的实施例的对复合材料筒段的损伤进行探测的方法的流程图。本实施例中该方法首先形成所述复合材料筒段10，步骤S100。复合材料筒段10可以被构建分为径向由内至外的内层部分、外层部分和中间隔热层部分，其中内层部分和外层部分材料均为碳纤维树脂基复合材料，采用铺带缠绕制造成型并经历高温高压固化。本实施例针对该复合材料筒段的外层部分进行超声导波实时损伤诊断。应当理解，本申请的方法也适用于其他材料、其他结构构成的该筒段，例如，该筒段可以为仅具有内层部分和外层部分的结构等。应当理解，除碳纤维树脂基复合材料外，本申请的方法还适用于采用复合材料。
[0024]本实施例采用的基于压电传感器的传感器网络20的布局图如图2所示。所述压电传感器的压电晶片及连接压电晶片电极的铜箔导线内嵌于绝缘的聚酰亚胺材料中构成压电传感器网络20。参照图2，在复合材料筒段的A区域共布置128个压电传感器，传感器坐标如表1所记载。在相邻传感器之间设置传播路径，例如图3所示为上半区64个压电传感器的传播路径示意图，由传感器路径进行对复合材料筒段的结构关键区域的覆盖。
[0025]所述压电传感器网络中，压电传感器的个数可以为四个，可以采用矩形形式布置。所述压电传感器网络可以形成为柔性传感器网络，例如，压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征在于：包括步骤：形成所述复合材料筒段，其中所述复合材料筒段的预设厚度内布设传感器网络，并提供连接所述柔性传感器网络的接口；通过所述接口将所述传感器网络与超声导波设备相连，使用所述超声导波设备的信号激励部分提供激励信号并通过所述传感器网络在筒段结构中产生基准超声导波信号和实时超声导波信号，并由所述超声导波设备的信号接收部分获取由所述传感器网络采集的所述基准超声导波信号和实时超声导波信号；其中所述基准超声导波信号为在复合材料筒段结构完整性良好状态下采集所述传感器网络的超声导波传播路径上的超声导波信号；其中所述实时超声导波信号为在试验环境或在役环境下实时采集的所述传感器网络的所述超声导波传播路径上的超声导波信号；通过将所述实时超声导波信号与所述基准超声导波信号计算路径损伤因子，逐个计算每个传播路径各自的路径损伤因子，基于所有计算得到的路径损伤因子，通过加权成像算法进行损伤概率重构成像，从而实现所述复合材料筒段的损伤位置的诊断。2.根据权利要求1所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，形成所述复合材料筒段的步骤包括：根据所述复合材料筒段的结构尺寸进行基于至少四个传感器的传感器网络布局设计，然后通过将所述传感器的传感单元及连接所述传感单元电极的导线内嵌于绝缘材料中构成传感器网络，用于埋入所述所述复合材料筒段；进行所述复合材料筒段的缠绕制作，在缠绕到达预定厚度之后，将所述传感器网络按照布局设计位置安装在所述预定厚度的结构表面；所述传感器网络安装完成后，继续进行复合材料铺带的缠绕直至将传感器网络除所述接口预留位置外完全包裹；以及对所述复合材料筒段进行高温高压固化成型。3.根据权利要求2所述的基于埋入式传感器网络的复合材料筒段超声导波损伤诊断方法，其特征是，所述传感器是压电传感器，所述传感单元是压...

【专利技术属性】
技术研发人员：武湛君，张佳奇，杨正岩，马书义，杨宇，杨雷，
申请(专利权)人：大连君晟科技有限责任公司中国飞机强度研究所，
类型：发明
国别省市：