[發明專利]復合材料疲勞分層損傷的貝葉斯在線診斷和預測方法

在審

• 申請號: 202011589760.2
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112580170A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 陳健;袁慎芳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/25;G06F30/27;G06F17/18;G06F113/26;G06F119/04
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明公開了一種復合材料疲勞分層損傷的貝葉斯在線診斷和預測方法，針對復合材料層合板的疲勞分層損傷，定義了包含結構疲勞分層損傷位置變量和面積變量的增廣狀態向量；提出了基于經驗指數模型的疲勞分層損傷面積演化方程，以及基于伽馬過程的損傷位置演化方程；在貝葉斯濾波理論框架下，結合基于光纖光柵的結構應變監測數據，對結構疲勞分層損傷的位置和面積進行聯合診斷；結合診斷結果預測分層損傷面積在未來的演化過程，得到結構剩余使用壽命。本發明可以有效地實現復合材料分層損傷位置和面積的在線聯合診斷，以及結構剩余使用壽命預測，對于保障復合材料結構的大量應用，實現復合材料結構的視情維護具有重要的應用前景。

技術領域

本發明屬于結構健康監測技術領域，具體指代一種復合材料疲勞分層損傷的貝葉斯在線診斷和預測方法。

背景技術

先進復合材料，尤其是高強度碳纖維復合材料，在航空航天等領域得到廣泛的應用，目前我國先進復合材料的高比例應用還存在許多關鍵問題。比如，復合材料相比于金屬結構，其力學性能和失效模式復雜得多；并且隨著現代裝備的發展，復合材料結構承受的載荷環境條件越來越嚴苛。這些問題對復合材料結構的安全性、可靠性、以及壽命都提出了更高的要求；進而對復合材料結構的安全評定和維護保障都提出了重大挑戰。迫切需要發展先進復合材料結構的健康監測和預測技術，在服役過程中對結構健康狀態進行監測和預測，從而保障復合材料結構的大量應用、指導結構設計、以及降低維護成本。

近年來，國內外針對復合材料的結構健康監測(Structural Health Monitoring，SHM)技術開展了大量的研究。SHM的基本思想是通過集成在結構上的傳感器，采集與結構狀態相關的信號，通過先進的算法實現在線結構健康診斷。然而大多數研究關注的是復合材料結構當前的健康或者損傷狀態診斷。對于如何在SHM結果的基礎上預測結構的剩余使用壽命(Remaining Useful Life,RUL)的研究還很少，而且這恰恰是保障復合材料結構大量應用，實現視情維護并降低結構維護成本的關鍵。同時，已有的復合材料結構壽命預測的研究，都是針對損傷位置已知的問題，即在結構的確定位置預制初始損傷，然后預測該損傷的演化過程以及結構的剩余使用壽命。而在實際工程應用中，由制造缺陷或者沖擊損傷引發的復合材料結構疲勞損傷，其位置是強不確定的，極大地影響結構疲勞損傷的診斷和預測。

發明內容

針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種復合材料疲勞分層損傷的貝葉斯在線診斷和預測方法，以解決現有技術中關于復合材料層合板結構的在線監測和預測存在的問題。本發明通過貝葉斯濾波理論融合先驗損傷演化模型和在線結構健康監測數據，實現復合材料結構疲勞損傷位置和損傷面積的聯合在線診斷，并進一步實現結構剩余使用壽命的預測。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的一種復合材料疲勞分層損傷的貝葉斯在線診斷和預測方法，步驟如下：

(1)針對當前復合材料層合板結構中僅有一個疲勞分層損傷的情況，定義描述該分層損傷位置和面積的增廣狀態向量；

(2)通過經驗指數模型描述分層損傷面積在疲勞載荷作用下的演化速率，定義分層損傷面積的演化方程及其模型參數演化方程；通過伽馬隨機過程描述該分層損傷位置的演化規律，定義分層損傷位置的演化方程；

(3)在當前結構表面布置多個光纖光柵應變傳感器，以獲取結構表面的應變分布；預先通過與當前結構相同的結構，以及相同布置位置的光纖光柵應變傳感器，得到不同分層損傷位置和面積下的應變分布數據，通過所述應變分布數據訓練基于人工神經網絡的觀測模型；

(4)當前結構服役過程中產生一個位置和面積未知的分層損傷；初始化該分層損傷的疲勞擴展時刻為k＝0；基于上述步驟(1)定義的增廣狀態向量，產生用于表征增廣狀態向量概率分布的粒子集；