[發明專利]時變環境下結構損傷的高斯混合模型-路徑累積成像方法

有效

• 申請號: 201810049766.7
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108303433B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 邱雷;袁慎芳;任元強;房芳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N23/00
• 分類號: G01N23/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹蕓

本發明提出了一種時變環境下結構損傷的高斯混合模型?路徑累積成像方法，屬于航空結構健康監測技術領域。本方法首先采用高斯混合模型抑制時變因素的影響，得到時變無關的信號特征參數以可靠表征結構壓電傳感器網絡中各個激勵?傳感路徑受損傷影響的程度；再采用路徑成像算法融合網絡中所有路徑的時變無關的信號特征參數，實現損傷成像；最后通過在監測過程中不斷更新高斯混合模型并成像，獲得一系列損傷信息不斷累積、損傷在圖像中不斷凸顯的成像結果，從而最終實現損傷定位。本發明解決了常規損傷成像方法在時變因素影響下難以進行準確損傷定位的問題，有效提高了航空結構在時變環境下損傷診斷的可靠性。

技術領域

本發明涉及一種時變環境下結構損傷的高斯混合模型-路徑累積成像方法，屬于航空結構健康監測技術領域。

背景技術

航空結構在服役過程中可能會出現金屬裂紋、復合材料結構的脫層、纖維斷裂等損傷形式，導致其機械性能的大幅下降，對結構的整體破壞和失效形成潛在的威脅。因此迫切需要開展航空結構的健康監測應用。

基于壓電傳感器網絡和導波的成像方法具有監測范圍大、對小損傷敏感、損傷定位精度高以及魯棒性強等優點，被認為是一種很有應用前景的航空結構健康監測技術。這種方法一般是在穩定的實驗室環境下，通過評估損傷對結構中導波信號的影響程度來實現損傷成像定位的。但是，航空結構的服役環境通常十分復雜，存在多種隨時間變化的不確定性因素，例如環境溫度變化、結構邊界條件變化以及隨機動態載荷等。這些時變環境因素會造成導波傳播特性的不確定性變化，使得導波基準信號和監測信號發生改變，造成比結構損傷所帶來的影響更加強烈的變化，導致從導波信號中提取出的信號特征無法反應結構的真實損傷狀態。傳統基于壓電傳感器網絡和導波的成像方法基本沒有考慮上述時變問題，因此難以在時變服役條件下實現航空結構準確、可靠的損傷成像定位。因此，如何在利用基于壓電傳感器網絡和導波的成像方法的同時，抑制航空結構服役時變環境的影響，提高損傷診斷的可靠性已成為限制這種方法在航空工程中實際應用的一個關鍵技術瓶頸。

由于航空結構的時變服役環境對導波的影響體現出很強的不確定性和非線性，并且對時變因素的直接測量非常困難，因此常規的環境因素影響補償方法很難有效應用。高斯混合模型是一種有限混合概率模型，可在無先驗知識的前提下通過多個高斯分量的加權組合逼近復雜隨機變量的概率分布，為研究導波時變損傷診斷問題提供了一條可行的途徑。近年來，國內外一些學者逐漸將高斯混合模型這種典型的概率混合模型引入基于導波的結構健康監測技術的研究中，并證明了模型的有效性。但目前該方法還處于初步研究階段，研究中僅針對單個獨立的導波激勵-傳感路徑的信號，監測范圍有限，也沒有考慮同基于壓電傳感器網絡和導波的成像方法相結合。

發明內容

本發明為克服傳統基于壓電傳感器網絡和導波的成像方法在航空結構的時變服役環境下無法可靠進行成像定位的問題，提出了一種時變環境下結構損傷的高斯混合模型-路徑累積成像方法，實現了航空結構在時變服役環境下的可靠損傷診斷。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：

一種時變環境下結構損傷的高斯混合模型-路徑累積成像方法，包括如下幾個步驟：

(1)當結構處于時變環境及健康狀態下時，連續采集R次結構上布置的壓電傳感器網絡中各激勵-傳感路徑的導波信號，R為大于等于1的自然數，對于其中的每一個路徑，從其R次信號中提取R組二維特征參數，構建包含R個樣本的基準二維特征參數樣本集，在此基礎上建立基準高斯混合模型來表征基準二維特征參數樣本集受時變條件影響產生的不確定性分布；

(2)當結構處于時變環境及監測狀態下時，采集一次各激勵-傳感路徑的導波信號，對于其中的每一個路徑，分別提取一組二維特征參數并用于更新該路徑的基準二維特征參數樣本集，得到更新后的監測二維特征樣本集，進而建立監測高斯混合模型；