[發明專利]一種基于壓縮采樣的模態分析及結構沖擊監測方法

有效

• 申請號: 201710243701.1
• 申請日: 2017-04-14
• 公開（公告）號: CN107066736B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 梁棟;朱強;范志鋒;李星
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H03M1/12;G01M13/00;G01M7/08
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;林燕玲

本發明是一種基于壓縮采樣數據的模態分析及結構沖擊監測方法，屬于結構健康監測技術領域。本發明采用壓縮采樣技術采集沖擊載荷信號，然后，再對采集到的沖擊載荷信號的壓縮采樣數據應用奇異值分解法進行模態分析以獲取結構的模態參數。最終，采用基于壓縮采樣數據的信號重構方法，來獲取沖擊載荷大小及位置參數。本發明解決了復雜結構通過建模以獲取結構模態參數存在的精度問題和多傳感器的數據量過于龐大的問題。該方法通過布置在待測結構上的傳感器網絡進行沖擊監測，能夠快速、準確地對結構進行實時監測，具有能耗低、存儲和傳輸的數據量小，存儲和傳輸的數據丟失少等優點。

技術領域

本發明涉及結構健康監測，特別是一種基于壓縮采樣數據的模態分析及結構沖擊監測方法。

背景技術

鋁合金材料由于其質輕高強、耐腐蝕、易加工等優點仍被廣泛應用于航空航天等領域，但是鋁合金材料結構在制造和使用過程中，都不可避免地會受到損傷，特別是航空領域中的低速沖擊對飛行器結構造成了肉眼不可見的損傷，這種損傷的危害在某種程度上來說可能比高速沖擊造成的損傷帶來危害更大，如果不能在損傷發生初期或飛行器維護過程中及時發現這些微小的損傷，就有可能導致結構發生突發性破壞，造成難以估計的損失。并且隨著航空行業對結構安全性和可靠性提出越來越高的要求。因此，對鋁合金材料結構進行結構健康監測以確保其穩定性和安全性是非常必要的。

目前，對結構沖擊監測主要采用的是傳統的無損檢測方法，其主要有超聲波檢測法、射線檢測法、電渦流檢測法、聲諧振法等無損檢測技術。但是這些傳統檢測技術在應用上仍存在一些缺點：1、難以檢測一些不可見、密閉的部件和結構復雜的大型部件的損傷；2、這些方法所使用的設備比較復雜，使用不方便，有較大的局限性，很難做到在服役環境條件下的實時監測，不能滿足未來大型航空航天飛行器結構健康監測的要求。就任何一結構而言，其所受沖擊載荷的大小與沖擊損傷程度有著重大的關聯，所以對結構進行沖擊載荷反演是非常必要的。然后，根據反演結果進一步確定結構損傷程度以估算出結構的剩余壽命、降低結構的維護成本。

而對飛行器來說，如何實時監測沖擊以保護飛行器的安全運行具有重大的意義。雖然目前已經發明了許多沖擊載荷識別的方法，但是到目前為止還沒有一種方法能夠高精度、實時地識別沖擊載荷。大部分方法都是直接將時域內的許多離散點的沖擊載荷時間歷程作為未知數進行求解，但由于未知參數多，計算量大，很難滿足監測的實時性要求。又目前結構健康監測的研究內容主要集中在先進的建模方法和信息處理方法上。而本發明的是采用近幾年出現的一種新型信號處理方法——壓縮采樣。壓縮采樣應用于結構健康監測中的優勢：1、由于結構響應數據信號在頻域上大多是窄帶信號，具有稀疏性，這恰好滿足壓縮采樣理論中信號本身是稀疏的或在某一變換域是可稀疏表示的條件。2、結構健康監測研究中所使用的無線傳感器網絡由于無線通信信道不穩定、電源能力有限等因素都可能造成信號數據丟失問題，而壓縮采樣理論又指出只需少量信號與觀測矩陣之間的內積值便可重構出全部原始信號，且內積值又具有均等特性，沒有先后順序之分，沒有主次之分，所以在傳輸過程中，丟失某些內積值也不會影響信號的恢復，進而解決了信號數據丟失問題。因此，壓縮采樣的優勢正好可以解決了在結構沖擊載荷反演過程存在數據量過于龐大的問題。

由于在進行結構沖擊載荷反演過程中還需要知道結構的模態參數，所以需要對結構進行模態分析。而模態分析又分為理論模態分析和實驗模態分析。理論模態分析是通過理論建模來獲取結構的模態參數，而實驗模態分析是運用數字你信號處理技術獲取響應函數，再應用參數識別的方法求得模態參數。而參數識別的方法又分為頻域模態參數識別法和時域模態參數識別法。其中頻域識別法雖然可以從頻響函數曲線上觀察到模態的分布及模態參數估計值，具有一定抗噪性，但是實驗設備復雜，實驗周期長；而時域識別法只需要原始的振動響應信號，不需經過傅里葉變換處理，可以避免信號截斷而且還可以對連續運行的設備在線參數識別，時域識別法包括ITD方法、STD法、奇異值分解法等。

發明內容