CN115420407B - 基于fbg监测响应信息的cfrp板荷载识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于FBG监测响应信息的CFRP板荷载识别方法，首先在CFRP板上粘贴或内嵌FBG传感器；基于FBG传感器监测到的波长时程信号，通过波长与应变的转化公式计算CFRP板上各FBG测点的应变值；然后根据CFRP板上离散点的应变值，通过基于格林函数的CFRP板应变场重构算法得到CFRP板的应变场；再利用基于峰突强度的波峰识别算法得到CFRP板应变场的突变信息，对CFRP板应变场和突变信息进行二维笛卡尔平面表达并评估，实现了CFRP板的荷载识别。本发明的特点是具有实时性高、高精度，准确和直观在线实时测量CFRP板的应变特性，进行CFRP板的荷载识别和在线检测。
Description
技术领域
本发明属于结构智能健康监测和检测领域，涉及到的是一种基于FBG监测响应信息的CFRP板荷载识别方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)板由于具有比强度高、比刚度高、减振性能好、耐腐蚀、质量轻等诸多优点，被广泛应用于航天航空、汽车、轨道交通、能源储运、海洋管道等领域。然而，在工程应用中复合材料易遭受各种荷载作用，如飞鸟的撞击、冰雹的砸落等，这些不经意间发生的荷载作用极有可能在荷载作用点处造成结构的损伤；此外，CFRP板在遭受冲击、疲劳交变载荷、雷击等外界因素影响后发生损伤，不进行及时有效的检测和修复，损伤会进一步扩展，造成严重危害。
结构健康监测兴起于航天领域，20世纪80年代开始广泛应用于土木工程、机械等领域。结构健康监测最初是进行结构的荷载监测，逐渐向结构损伤诊断(损伤部位识别和损伤程度估计等)、结构剩余寿命的预估等方面发展，所以，结构荷载监测是结构健康监测的一个技术基础。另外，一些结构损伤识别问题可转化为结构荷载识别问题，因此，结构荷载识别成为结构损伤识别的一个间接手段。研究结构荷载监测对于促进结构健康监测的发展具有重要学术和现实意义。
现有的CFRP板荷载识别方法包括超声波检测、射线检测和声发射检测。超声检测和射线检测都是静态检测方法，不能实时动态检测结构运动过程中的荷载。在声发射测试方法中，通过压电传感器检测荷载，以捕获材料发生变形时释放的弹性波。然而，弹性波在复合材料中传播过程中，由于频散、模式转换、衰减和界面反射，容易引入干扰和噪声，而压电传感器和复合材料在连接表面容易发生脱胶失效，因此这种方法很难适应CFRP板的复杂工作条件。光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有质量轻、体积小、易于嵌入复合材料内部、易于实现准分布式测量等优点，可以在线检测复合材料板。将FBG传感器技术引入复合材料板荷载识别后，可以有效克服超声检测和射线检测等传统荷载识别技术的缺点。
因此，可以利用FBG传感器的这些优点将系列FBG传感器粘贴在CFRP 板上或者嵌入CFRP板中构建FBG传感器网络，在线识别其荷载信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种基于FBG监测响应信息的CFRP 板荷载识别方法。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种CFRP板荷载的实时识别方法，首先通过基于格林函数的应变场重构方法得到CFRP板的应变响应特征场，然后辨识荷载作用下CFRP板应变响应特征场的突变信息，进而得到荷载信息，包括以下的步骤：
步骤S1：根据CFRP板的尺寸大小，在CFRP板上粘贴若干个FBG传感器形成FBG传感器网络，或者制造内嵌FBG传感网络的CFRP板。将FBG传感网络依次与解调仪和计算机连接，组成CFRP板的荷载识别监测系统。
步骤S2：基于FBG传感器监测到的波长时程信号，通过波长与应变的转化公式计算CFRP板上各FBG测点的应变值εi。
步骤S3：重构CFRP板上点P0的应变值。用于重构的最接近P0的已知点数为k，k应根据FBG传感器总数量和所需重构速度来取值。点P0到其他已知点的距离应首先通过以下公式计算：
r0i＝|xi,x0|,i＝1,2,...,n (1)
其中，r0i是点P0与第i个已知应变点之间的距离，x0是P0的位置向量，xi是第i个已知应变点的位置向量。所有距离都使用合并排序算法按升序排序。排序后，离P0最近的前k个应变已知点的坐标和应变(xj,yj,zj)j＝1,2,...,k就获得了。
步骤S4：计算格林函数矩阵。设置坐标矩阵 X＝[x1 x2 ... xk]T,Y＝[y1 y2 ...yk]T，应变矩阵Z＝[z1 z2 ... zk]T。k×k格林函数矩阵G为：
在上式中，元素dij表示换算变量，其计算公式为：
其中，表示xy平面内点i到点j的直线距离。使用双调和格林函数/>作为基函数，以获得最小曲率曲面。根据格林函数矩阵 G和应变矩阵Z，权重矩阵W可以计算为
W＝G-1Z (4)
步骤S5：计算重构应变点P0的1×k格林函数矩阵GP，公式如下：
GP＝[d01 d02 ... d0k] (5)
其中d01，d02，……，d0k的计算公式与步骤S4的dij的计算公式相同。然后，应变重构点P0的应变值为
zP＝GPW (6)
步骤S6：重复步骤S3-S6，就可以得到CFRP板上所有点Pi的应变值zPi，即对CFRP板的应变场进行了重构。
步骤S7：荷载识别：
重构完成的CFRP板应变场，若荷载产生，CFRP板的应变场会出现突变，采用基于峰突强度的波峰识别算法得到CFRP板应变场的突变位置，该算法先计算出CFRP板应变场的所有极值点，然后计算各个极值点与该极值点周围极值点的应变差值(即峰突强度)是否大于预先设置的阈值，若大于则该极值点为突变点。突变位置既是荷载作用位置，CFRP板应变场突变位置的应变大小可以反映荷载作用的大小。
本发明基于CFRP板荷载作用时的应变场突变特性，采用了基于格林函数的应变场重构方法将离散FBG测点的监测信号进行处理转化为CFRP板的连续应变场，当荷载产生时，该重构的应变场会呈现突变信息，清晰、直观地识别荷载的发生。
本发明的优越功效在于：
1)本发明基于FBG监测数据的实时处理和应变场重构,可实时显示出CFRP 板的应变场,并且CFRP板有荷载作用和无荷载作用下的显示结果有明显差异,能直观、准确地感知荷载的发生,服务于CFRP板的荷载识别和运营维护工作,并且满足在线监测环境下的实时性、连续性的要求,易于实现,具有很高的工程应用价值和广阔的应用前景；
2)本发明方法过程简单,通过实时监测数据处理分析结果表明,极易识别和感知CFRP板荷载的产生,通过计算应变场的瞬时指标可实现荷载实时识别和在线测量,并且计算效率高,可持续稳定运行；
3)本发明方法具有实时性高(秒级)﹑高精度﹑准确和直观等特点；
4)本发明方法的应用场景广泛。
附图说明
附图1是本发明方法的流程图。
附图2是没有荷载作用时CFRP板的重构应变场图。
附图3是荷载作用时CFRP板的重构应变场图。
附图4是荷载作用时CFRP板的应变场出现突变信息。
图中：1荷载作用点；2FBG传感器；3CFRP板
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1示出了本发明实施的方法流程图。本发明提供了一种基于FBG监测响应信息的CFRP板荷载识别方法，包括以下步骤：
S1：根据CFRP板3的尺寸大小，在CFRP板上粘贴若干FBG传感器2形成FBG传感网络，如附图2，或者制造内嵌FBG传感网络的CFRP板3。将FBG 传感网络与解调仪和计算机连接，组成CFRP板3的荷载识别监测系统。
S2：基于FBG传感器2监测到的波长时程信号，通过波长与应变的转化公式计算CFRP板3上各FBG测点的应变值εi。
S3：重构CFRP板3上点P0的应变值。用于重构的最接近P0的已知点数为k， k应根据FBG传感器2总数量和所需重构速度来取值。点P0到其他已知点的距离应首先通过以下公式计算：
r0i＝|xi,x0|,i＝1,2,...,n
其中，r0i是点P0与第i个已知应变点之间的距离，x0是P0的位置向量，xi是第i个已知应变点的位置向量。所有距离都使用合并排序算法按升序排序。排序后，离P0最近的前k个应变已知点的坐标和应变(xj,yj,zj)j＝1,2,...,k就获得了。
S4：计算格林函数矩阵。设置坐标矩阵X＝[x1 x2 ... xk]T和 Y＝[y1 y2 ... yk]T，应变矩阵Z＝[z1 z2 ... zk]T。k×k格林函数矩阵G为：
在上式中，元素dij表示换算变量，其计算公式为：
其中，表示xy平面内点i到点j的直线距离。使用双调和格林函数/>作为基函数，以获得最小曲率曲面。根据格林函数矩阵 G和应变矩阵Z，权重矩阵W可以表示为：W＝G-1Z
步骤S5：计算重构应变点P0的1×k格林函数矩阵GP，公式如下：
GP＝[d01 d02 ... d0k]
其中，d01，d02，……，d0k的计算公式与步骤S4的dij的计算公式相同。然后，应变重构点P0的应变值为zP＝GPW。
S6：重复步骤S3-S6，就可以得到CFRP板3上所有点Pi的应变值zPi，即对 CFRP板的应变场进行了重构。
S7：荷载识别
通过计算重构出CFRP板3的应变场，并且在CFRP板3平面内建立二维笛卡尔坐标系，x轴和y轴表示CFRP板3上的横纵坐标，用颜色表示CFRP板3 的应变场大小；若没有荷载作用，CFRP板3的应变场是均匀的，如图3所示；在荷载作用点1位置，CFRP板3的应变场会出现突变信息，如图4所示。
本发明可用于航天航空、轨道交通等复合材料结构(如飞机机翼、高速铁路机车结构等)的CFRP板3类结构荷载识别，为CFRP板3的监控维护提供服务；也可用于CFRP板3实验室内的性能测试和疲劳检验过程监控；亦可用于具有荷载识别需求的其它板类结构，如建筑物中的楼盖、桥梁面板等。
Claims (1)
1.一种基于FBG监测响应信息的CFRP板荷载识别方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据CFRP板(3)的尺寸大小，在CFRP板(3)上粘贴若干个FBG传感器(2)形成FBG传感网络，或者制造内嵌FBG传感网络的CFRP板(3)，将FBG传感网络依次与解调仪和计算机连接，组成CFRP板(3)的荷载识别监测系统；
步骤S2：基于FBG传感器(2)监测到的波长时程信号，通过波长与应变的转化公式计算CFRP板(3)上各FBG测点的应变值εi；
步骤S3：重构CFRP板(3)上点P0的应变值，用于重构的最接近P0的已知点数为k，k应根据FBG传感器(2)总数量和所需重构速度来取值，点P0到其他已知点的距离应首先通过以下公式计算：
r0i＝|xi,x0|,i＝1,2,...,n
其中，r0i是点P0与第i个已知应变点之间的距离，x0是P0的位置向量，xi是第i个已知应变点的位置向量，所有距离都使用合并排序算法按升序排序，排序后，获得离P0最近的前k个应变已知点的坐标和应变(xj,yj,zj)j＝1,2,...,k；
步骤S4：计算格林函数矩阵：设置坐标矩阵X＝[x1 x2 ... xk]T和Y＝[y1 y2 ... yk]T，应变矩阵Z＝[z1 z2 … zk]T，k×k格林函数矩阵G为：
在上式中，元素dij表示换算变量，其计算公式为：
其中，表示xy平面内点i到点j的直线距离。使用双调和格林函数/>作为基函数，以获得最小曲率曲面。根据格林函数矩阵G和应变矩阵Z，权重矩阵W可以计算为：W＝G-1Z
步骤S5：计算重构应变点P0的1×k格林函数矩阵GP，公式如下：
GP＝[d01 d02 … d0k]
其中，d01，d02，……，d0k的计算公式与步骤S4的dij的计算公式相同，然后，应变重构点P0的应变值为：zP＝GPW；
步骤S6：重复步骤S3-S6，就可以得到CFRP板(3)上所有点Pi的应变值zPi，即对CFRP板(3)的应变场进行了重构；
步骤S7：荷载识别：
重构完成的CFRP板(3)应变场，若荷载产生，CFRP板(3)的应变场会出现突变，采用基于峰突强度的波峰识别算法得到CFRP板(3)应变场的突变位置，该算法先计算出CFRP板(3)应变场的所有极值点，然后计算各个极值点与该极值点周围极值点的应变差值是否大于预先设置的阈值，若大于则该极值点为突变点，突变位置既是荷载作用点(1)位置，CFRP板(3)应变场突变位置的应变大小可以反映荷载作用的大小。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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