一种基于方向小波曲率模态的铝板损伤识别方法及系统

1.本公开属于结构动力学无损检测领域，具体涉及一种基于方向小波曲率模态的铝板损伤识别方法及系统。


背景技术：

2.飞机机翼、风机叶片等类板结构在长期服役过程中会出现裂纹等微小损伤。随着这些损伤的不断累积扩大，容易造成财产和生命的重大损失。近几十年，基于动力学的无损检测技术在板类结构的早期故障监测中得到快速发展。曲率模态作为一个优秀的损伤指标，被广泛运用到板类结构的损伤识别中，然而，基于方向小波的曲率模态方法进行板类结构方向损伤定位的研究还未见报道。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于方向小波曲率模态的铝板方向损伤识别方法，通过以方向小波对传统的曲率模态方法进行改进，能够提高在噪声条件下的鲁棒性。
4.为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
5.一种基于方向小波曲率模态的铝板损伤识别方法，包括如下步骤：
6.s100：采集待测铝板的高阶odss振型信号；
7.s200：对所述待测铝板的高阶odss振型信号作多角度小波变换，以得到不同方向的小波曲率模态；
8.s200：将所述不同方向的小波曲率模态进行叠加，以获得新的小波曲率模态；
9.s400：根据新的小波曲率模态峰值的位置识别待测铝板是否存在损伤，并确定损伤方向。
10.优选的，步骤s100中，通过以下方式采集待测铝板的高阶odss振型信号：在一端固定的铝板损伤面施加任意高阶频率的正弦激励，同时用激光测振仪测量铝板正面的振动，以采集铝板正面的odss振型信号。
11.优选的，步骤s200中，对所述待测铝板的高阶odss振型信号从θ＝0
°
，θ＝30
°
，θ＝60
°
和θ＝90
°
四个角度作小波变换。
12.优选的，步骤s200中，通过包括二维方向morlet小波在内的小波对高阶odss振型信号作小波变换。
13.优选的，通过二维方向morlet小波对待测铝板的高阶odss振型信号作小波变换是通过下式进行的：
14.[0015][0016][0017]
其中，ψ(x，y)为二维morlet小波函数，i为虚数，k为morlet小波中心频率系数，u1和u2分别是小波函数在x方向和y方向上的平移参数，θ为角度因子，为二维morlet小波函数的二阶全微分，w(x，y)为高阶odss振型，为某个方向的小波曲率模态，为卷积运算，u和s分别为小波函数的平移参数和尺度因子，[x，y]为测量点的坐标。
[0018]
优选的，步骤s300中，在将不同方向的小波曲率模态进行叠加之前，需要对不同方向的小波曲率模态数据归一化到[
‑
1，1]区间。
[0019]
优选的，步骤s400中，所述根据新的小波曲率模态峰值的位置识别待测铝板是否存在损伤是通过以下方式进行的：在不同尺度下，若有两个及两个以上的峰值出现在相同位置处，则认为该处为损伤，否则结构健康。
[0020]
本公开还提供一种基于方向小波曲率模态的铝板方向损伤识别系统，包括：
[0021]
信号采集模块，用于采集待测铝板的高阶odss振型信号；
[0022]
小波曲率模态生成模块，用于对待测铝板的高阶odss振型信号作多角度小波变换，以得到不同方向的小波曲率模态；
[0023]
小波曲率模态叠加模块，用于将不同方向的小波曲率模态进行叠加，以获得新的小波曲率模态；
[0024]
损伤识别模块，用于识别新的小波曲率模态出现峰值的位置是否存在损伤，并确定损伤方向。
[0025]
本公开还提供一种存储介质，包括存储器和处理器，其中，
[0026]
所述存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如前所述任一方法。
[0027]
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：以方向小波改进传统的曲率模态方法，得到新的小波曲率模态，不仅提高了在噪声条件下的鲁棒性，还能实现对方向性损伤的识别，广泛应用于板类结构的方向性损伤检测。
附图说明
[0028]
图1是本公开一个实施例提供的一种基于方向小波曲率模态的铝板损伤识别方法流程图；
[0029]
图2是本公开另一个实施例提供的铝板损伤示意图；
[0030]
图3是本公开另一个实施例提供的铝板高阶odss振型图；
[0031]
图4是本公开另一个实施例提供的传统的曲率模态示意图；
[0032]
图5是本公开另一个实施例提供的传统的小波曲率模态图；
[0033]
图6是本公开另一个实施例提供的在尺度s＝8下的方向小波曲率模态叠加图；
[0034]
图7是本公开另一个实施例提供的在尺度s＝9下的方向小波曲率模态叠加图；
[0035]
图8是本公开另一个实施例提供的在尺度s＝10下的方向小波曲率模态叠加图。
具体实施方式
[0036]
下面将参照附图图1至图8详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0037]
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0038]
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
[0039]
一个实施例中，如图1所示，一种基于方向小波曲率模态的铝板损伤识别方法，包括如下步骤：
[0040]
s100：采集待测铝板的高阶odss振型信号；
[0041]
s200：对所述待测铝板的高阶odss振型信号作多角度小波变换，以得到不同方向的小波曲率模态；
[0042]
原则上，选择0
°‑
90
°
之间的角度划分的越密，对损伤的方向性越敏感，但由于考虑到计算量的问题，本公开仅从θ＝0
°
，θ＝30
°
，θ＝60
°
和θ＝90
°
四个角度对所述待测铝板的高阶odss振型信号作小波变换。
[0043]
另外，本公开可以通过二维方向morlet小波、cauth小波及gaussian小波等对待测铝板的高阶odss振型信号作小波变换。其中，本公开优选采用二维方向morlet小波对高阶odss振型信号作小波变换，具体通过下式进行：
[0044][0045][0046][0047]
其中，ψ(x，y)为二维morlet小波函数，i为虚数，k为morlet小波中心频率系数，u1和u2分别是小波函数在x方向和y方向上的平移参数，θ为角度因子，为二维morlet小波函数的二阶全微分，w(x，y)为高阶odss振型，为某个方向的小波曲率模
态，为卷积运算，u和s分别为小波函数的平移参数和尺度因子，[x，y]为测量点的坐标。
[0048]
s300：将所述不同方向的小波曲率模态进行叠加，以获得新的小波曲率模态；
[0049]
s400：根据新的小波曲率模态峰值的位置识别铝板是否存在损伤，并确定损伤方向。
[0050]
基于曲率模态的板类结构损伤检测方法原理是曲率模态在微分过程中将位移振型中的微小损伤进行方法，然后通过观察曲率模态图中奇异峰值区域来判断损伤的位置和大小。二维的曲率模态可以用中心差分法表示为：
[0051][0052]
其中，w(x，y)是板的odss振型，h
x
和h
y
分别是x和y方向的采样间隔。
[0053]
传统的小波曲率模态中的morlet小波表达式为：
[0054][0055]
传统的小波曲率模态可以将测量过程产生的噪声消除掉，从而高亮显示损伤存在，然而它对于方向性不敏感，只能识别单方面的损伤。而本实施例将方向小波变换引入了曲率模态中，利用方向小波变换的多分辨率对铝板的方向损伤进行识别和定位，在尺度s增大的同时将高频噪声消除，从而突出损伤特征。由于方向小波具有方向敏感性，因此，将不同方向的小波曲率模态叠加的同时也就获得了多方向敏感性，相比传统的曲率模态方法具有抗噪性强和对方向性损伤敏感的特点。
[0056]
另一个实施例中，步骤s100中，通过以下方式采集待测铝板的高阶odss振型信号：在一端固定的铝板损伤面施加任意高阶频率的正弦激励，同时用激光测振仪测量铝板正面的振动，以采集铝板正面的odss振型信号。
[0057]
本实施例中，除了采用上述采集方式以外，还可以通过应变片和高速相机对待测铝板的高阶odss振型信号进行采集。
[0058]
另一个实施例中，步骤s200中，在将不同方向的小波曲率模态进行叠加之前，需要对不同方向的小波曲率模态数据归一化到[
‑
1，1]区间。
[0059]
本实施例中，通过对不同方向的小波曲率模态进行归一化处理，使得小波曲率模态的数值处于同一量级下。
[0060]
另一个实施例中，通过以下方法识别新的小波曲率模态中出现峰值的位置是否存在损伤：在不同尺度下，若有两个及两个以上的峰值出现在相同位置处，则认为该处为损伤，否则结构健康。
[0061]
另一个实施例中，本公开还提供一种基于方向小波曲率模态的铝板方向损伤识别系统，包括：
[0062]
信号采集模块，用于采集待测铝板结构的高阶odss振型信号；
[0063]
小波曲率模态生成模块，用于对待测铝板的高阶odss振型信号作多角度小波变换，以得到不同方向的小波曲率模态；
[0064]
小波曲率模态叠加模块，用于将不同方向的小波曲率模态进行叠加，以获得新的小波曲率模态；
[0065]
损伤识别模块，用于识别新的小波曲率模态出现峰值的位置是否存在损伤，并确定损伤方向。
[0066]
另一个实施例中，本公开还提供一种存储介质，包括存储器和处理器，其中，
[0067]
所述存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如前所述任一方法。
[0068]
下面通过具体的实施例对本公开的技术方案进行进一步说明。
[0069]
采用长度为500mm，宽度为500mm，厚度为5mm的铝板，其弹性模量e＝70.5gpa，泊松比μ＝0.33以及密度ρ＝2680kg/m3。在距离板的上端100mm、左端50mm、下端100mm和右端50mm处分别存在两个长度为100mm、深度为3mm的裂纹，具体如图2所示。用bk公司的4810型激振器在铝板的损伤面施加一个1061hz的正弦激励，同时用polytec公司的psv
‑
500型激光测振仪进行扫描测量，获取铝板在该频率下的odss振型w(x，y)，如图3所示。
[0070]
根据曲率模态的中心差分法公式计算得到w(x，y)的曲率模态，如图4所示。再利用传统的小波曲率模态表达式得到一般形势下的morlet小波曲率模态，如图5所示。
[0071]
在尺度s＝8、s＝9、s＝10下，分别使用θ＝0
°
，30
°
，60
°
和90
°
的二维morlet小波对w(x，y)作小波变换，得到4个方向的小波曲率模态。
[0072]
在尺度s＝8、s＝9、s＝10下，将4个方向的小波曲率模态进行归一化后继续叠加，得到混合的小波曲率模态，如图6至图8所示。
[0073]
通过观察图4可知，传统的曲率模态由于受到测量噪声的影响，很难去判断损伤的位置和方向，再通过观察图5可知，传统的小波曲率模态能够看到奇异峰值，表明损伤的存在，但是，只能发现单一方向的损伤。最后观察图6至图8可知，三个尺度下的奇异峰值几乎都在相同位置处，则可以认为混合的小波曲率模态中的奇异峰值能够清晰的表征水平和竖直方向的裂纹损伤，且损伤位置及尺寸与图2所示的铝板损伤示意图很接近。可见，本公开所述方法相对于传统的曲率模态方法可以很好的抑制噪声影响，并能够识别出如图6至图8所示的方向性损伤，这在实际工程中多方向损伤的检测应用中很有前景。
[0074]
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本技术为必须采用上述具体的细节来实现。