本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)無損檢測，具體涉及一種基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

1、圓柱殼體構(gòu)件是航空動(dòng)力裝備和新能源裝備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)閘、氫氣儲(chǔ)罐、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒等，長期服役下化學(xué)侵蝕、材料老化、應(yīng)力腐蝕開裂、疲勞、溫差開裂等常見裂紋會(huì)造成圓柱殼構(gòu)件設(shè)計(jì)承載力出現(xiàn)重大隱患，定期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和維護(hù)對(duì)于確保圓柱殼構(gòu)件的安全性和可靠性至關(guān)重要。

2、傳統(tǒng)無損檢測手段如聲發(fā)射、磁場、渦流、熱成像和射線等屬于局部方法，只能一次檢測有限的區(qū)域，必須進(jìn)行多次測量來檢查結(jié)構(gòu)或特定區(qū)域進(jìn)行檢查。同時(shí)傳統(tǒng)無損檢測方法檢測服役結(jié)構(gòu)需要靠近待測結(jié)構(gòu)并持續(xù)檢測，檢測效率較低。

3、振動(dòng)法無損檢測技術(shù)能全局識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷且對(duì)早期損傷敏感，所以能夠及早發(fā)現(xiàn)圓柱殼構(gòu)件中的潛在問題，有助于預(yù)防裂紋損傷擴(kuò)展。其中，模態(tài)振型由于包含局部信息從而能夠準(zhǔn)確定位、定量損傷，所以在振動(dòng)法中模態(tài)振型是最常用的模態(tài)參數(shù)。

4、目前基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件損傷識(shí)別方法瓶頸在于直接從模態(tài)振型曲面中難以觀察到損傷特征，通常做法是用無損傷的模態(tài)振型與有損傷的模態(tài)振型進(jìn)行差值對(duì)比，但對(duì)于已長期服役的圓柱殼構(gòu)件來說，想要獲得與其邊界條件、老化程度等諸多參數(shù)相同的無損傷模態(tài)振型是極其困難的，這些障礙嚴(yán)重阻礙振動(dòng)法無損檢測技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和有效性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決上述問題，提供一種基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，包括以下步驟：

3、1）、獲取圓柱殼構(gòu)件的徑向位移模態(tài)振型；所述徑向位移模態(tài)振型包括多階徑向位移模態(tài)振型；

4、2）、對(duì)某一階徑向位移模態(tài)振型的每條周向線進(jìn)行分形變換；

5、3）、根據(jù)分形變換后的徑向位移模態(tài)振型分形殼面進(jìn)行識(shí)別與定位裂紋，實(shí)現(xiàn)圓柱殼構(gòu)件的損傷檢測。

6、進(jìn)一步，本發(fā)明所述基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，步驟2）所述對(duì)某一階徑向位移模態(tài)振型的每條周向線進(jìn)行分形變換包括：定義描述圓周線不規(guī)則程度的分形維數(shù)值；對(duì)于某一條周向線，指定扇形滑窗尺寸和移動(dòng)步長，扇形滑窗從周向線某測點(diǎn)出發(fā)再回到該測點(diǎn)，移動(dòng)中分別計(jì)算扇形滑窗區(qū)域內(nèi)徑向位移模態(tài)振型周向線的分形維數(shù)值。

7、所述扇形滑窗的尺寸決定了裂紋檢測的可行性，過大的窗口會(huì)導(dǎo)致裂紋對(duì)分形維數(shù)影響較小；同時(shí)，過小的窗口會(huì)導(dǎo)致裂紋被分割在不同的滑窗中，這樣會(huì)影響裂紋尺寸檢測的不完整性。窗口尺寸大小的選擇一般是選擇當(dāng)扇形窗口內(nèi)周向線分形維數(shù)取得最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的窗口尺寸的大小。

8、所述扇形滑窗的步長決定了徑向位移模態(tài)振型分形維數(shù)殼面的光滑性，步長的大小應(yīng)該盡可能的小，一般是只要能滿足裂紋檢測實(shí)時(shí)性的要求即可。

9、進(jìn)一步，本發(fā)明所述基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，步驟3）所述根據(jù)分形變換后的徑向位移模態(tài)振型分形殼面進(jìn)行識(shí)別與定位裂紋包括：

10、根據(jù)扇形滑窗區(qū)域計(jì)算出的分形維數(shù)值所處的空間位置用扇形區(qū)域中中間測點(diǎn)的坐標(biāo)值表示；

11、遍歷掃描徑向位移模態(tài)振型中每一條周向線，根據(jù)每個(gè)扇形滑窗的分形維數(shù)值和所處位置確定徑向位移模態(tài)振型所對(duì)應(yīng)的分形殼面；

12、若圓柱殼構(gòu)件存在局部裂紋，其分形變換后的分形殼面在局部裂紋的端部形成局部奇異峰，根據(jù)奇異峰定位和定量裂紋，實(shí)現(xiàn)圓柱殼構(gòu)件的內(nèi)部裂紋檢測。

13、進(jìn)一步，本發(fā)明所述基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，所述分形維數(shù)的獲取方法包括如下步驟：

14、所述圓柱殼構(gòu)件采用兩套坐標(biāo)系：圓柱坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系，圓柱坐標(biāo)系下每個(gè)測點(diǎn)的空間位置用坐標(biāo)（ θ，ρ，z）表示，對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系下的位置用坐標(biāo)?( x, y, z)表示；

15、一個(gè)扇形滑窗區(qū)域中的徑向位移模態(tài)振型周向線由預(yù)設(shè)的若干測點(diǎn)組成，通過插值函數(shù)采用點(diǎn)與點(diǎn)之間二分法，將扇形滑窗區(qū)域中周向線測點(diǎn)進(jìn)行插值處理；

16、所述分形維數(shù)采用每個(gè)測點(diǎn)的徑向位移變化率作為描述指標(biāo)，變化率表達(dá)形式如下：

17、 τ=| r- r|/ r

18、其中 τ i是測點(diǎn)的徑向位移變化率， r是圓柱殼構(gòu)件的半徑， r是測點(diǎn)的徑向位移，，( x 0 ,y 0 ,z 0)是每一圈周向線的圓心坐標(biāo)；

19、不同二分次數(shù)下扇形滑窗區(qū)域的徑向位移變化率之和為：

20、

21、其中 θ=2(m-1)π/(n(k-1))代表扇形滑窗區(qū)域的圓心角尺度， n是周向線完整一圈上測點(diǎn)的總數(shù)量， k是扇形滑窗區(qū)域中周向線上測點(diǎn)數(shù)量與二分點(diǎn)數(shù)量之和， m是扇形滑窗區(qū)域包含的初始測點(diǎn)數(shù)量；

22、扇形滑窗區(qū)域周向線分形維數(shù)通過log(t θ)和log( θ)之間的最小二乘線性擬合直線的斜率來求得：

23、 t θ~ θ -d

24、其中 d就是典型扇形滑窗區(qū)域周向線分形維數(shù)值。

25、進(jìn)一步，本發(fā)明所述基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，所述遍歷掃描徑向位移模態(tài)振型中每一條周向線時(shí)還包括對(duì)徑向位移模態(tài)振型軸向線進(jìn)行多分辨率濾波；多分辨率濾波的優(yōu)點(diǎn)在于保留了由裂紋引起的高頻波動(dòng)，同時(shí)也弱化了高階徑向位移振型中趨勢項(xiàng)引起的分形維數(shù)峰值。所述多分辨率濾波包括以下步驟：

26、a）將同一 θ處測點(diǎn)的z值作為橫坐標(biāo)，徑向位移 r值作為縱坐標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)一維信號(hào)；

27、b)?將上述一維信號(hào)利用symlet小波函數(shù)進(jìn)行多層小波分解，得到若干子帶信號(hào)，其中部分子帶信號(hào)代表信號(hào)的低頻趨勢，將低頻趨勢的子帶信號(hào)系數(shù)設(shè)為0，然后通過離散小波逆變換重構(gòu)信號(hào)；

28、c）將重構(gòu)后的測點(diǎn)按原空間位置布置得到去趨勢的徑向位移模態(tài)振型。

29、進(jìn)一步，本發(fā)明所述基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，步驟1）所述獲取圓柱殼構(gòu)件徑向位移模態(tài)振型的包括以下步驟：

30、首先進(jìn)行測點(diǎn)布置，對(duì)圓柱殼構(gòu)件外表面沿軸向均勻布置周向線，對(duì)每條周向線進(jìn)行均勻測點(diǎn)布置；

31、采用移動(dòng)力錘遍歷所有測點(diǎn)并固定一個(gè)加速度計(jì)在任意一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測量；

32、利用力錘對(duì)圓柱殼構(gòu)件表面測點(diǎn)施加脈沖激勵(lì)，同時(shí)利用加速度計(jì)采集圓柱殼構(gòu)件固定測點(diǎn)的徑向錘擊振動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)激勵(lì)與對(duì)應(yīng)響應(yīng)信號(hào)的傅里葉變換得到頻響函數(shù)矩陣，利用各測點(diǎn)頻響函數(shù)的虛部峰值和空間位置信息得到圓柱殼構(gòu)件徑向位移模態(tài)振型。

33、進(jìn)一步，本發(fā)明所述基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，所述力錘的錘頭采用硬塑料錘頭，以便得到更寬頻率范圍下圓柱殼構(gòu)件的振動(dòng)響應(yīng)；所述力錘的錘擊方向沿著圓柱殼構(gòu)件的徑向。

34、第二方面，本發(fā)明提供一種基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別系統(tǒng)，包括振型獲取模塊、分形變換模塊和裂紋識(shí)別模塊；

35、所述振型獲取模塊，用于獲取圓柱殼構(gòu)件的徑向位移模態(tài)振型；所述徑向位移模態(tài)振型包括多階徑向位移模態(tài)振型；

36、所述分形變換模塊，用于對(duì)某一階徑向位移模態(tài)振型的每條周向線進(jìn)行分形變換；

37、所述裂紋識(shí)別模塊，用于根據(jù)分形變換后的徑向位移模態(tài)振型分形殼面進(jìn)行識(shí)別與定位裂紋，實(shí)現(xiàn)圓柱殼構(gòu)件的損傷檢測。

38、第三方面，本發(fā)明提供一種基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別裝置，包括存儲(chǔ)器和處理器；所述存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序；所述處理器，用于當(dāng)執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)如前述第一方面所述的基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法。

39、第四方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)如前述第一方面所述的基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法。

40、本發(fā)明所述基于振型的圓柱殼構(gòu)件內(nèi)部裂紋識(shí)別方法，通過對(duì)現(xiàn)有基于模態(tài)振型的圓柱殼構(gòu)件損傷識(shí)別方法的改進(jìn)，直接對(duì)服役狀態(tài)下的模態(tài)振型進(jìn)行損傷特征提取，解決現(xiàn)有振動(dòng)法無損檢測技術(shù)中需要健康振型對(duì)比這個(gè)瓶頸問題；本識(shí)別方法可以預(yù)先布置傳感器在待測物上，直接將傳感數(shù)據(jù)無線傳回；同時(shí)，可以直接一次檢測整體結(jié)構(gòu)，不需要分區(qū)域檢測，可顯著提升檢測效率，適于推廣應(yīng)用。