一种Lamb波混频技术的电力工程纤维增强复合材料微裂纹方向识别方法及装置与流程

本发明涉及一种lamb波混频技术的电力工程纤维增强复合材料微裂纹方向识别方法及装置，属于电力工程。

背景技术：

1、随着复合材料的大范围应用，由于生产运输阶段的监测不完善或暴力使用等原因，材料难免会产生细微的缺陷损伤，若这些损伤没有被及时发现处理，则会存在安全隐患甚至造成重大事故。因此，在早期阶段使用无损检测(ndt)技术对材料损伤进行检测对于保持结构的完整性和安全性至关重要。复合材料主要应用包括复合绝缘子、复合材料杆塔、复合材料电力金具等，近年来利用其对材料内部损伤和缺陷进行检测和表征受到了越来越多的关注。

2、当前在面向复合材料的损伤检测领域，基于lamb波的超声检测技术一种具有应用前景的检测方法，弥补了传统超声检测传播距离短、检测成本高、对缺陷损伤灵敏度低等不足。与使用传统的非线性超声技术产生的二次谐波相比，混频技术具有独特的优势，其通过调整混频波的激发位置可以实现对不同检测区域的扫描；另外，在混频激励下，波的模态、频率和传播方向具有很大的灵活性和选择性，可以避免由实验设备在测试系统中引起的冗余谐波。传统lamb波微裂纹检测方法是在单频激励下对接收二次谐波进行对比，计算出两者的差异值(ri值)，同时根据有损信号中损伤信号波包出现的时间和lamb波传播速度计算出缺陷到传感器的距离，再通过双曲线定位、椭圆定位等方法实现损伤位置的几何定位。虽然该方法对于微裂纹的定位具有一定效果，但仍在定位精度、传感器阵列数量、程度评估方法等方面面临着一系列的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于lamb波混频技术的电力工程纤维增强复合材料微裂纹识别方法，具有更高的灵敏度，提高了损伤检测方法的有效性和实用性该方法能够在误差允许的范围内成功实现了对任意微裂纹的方向识别。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种基于lamb波混频技术的电力工程纤维增强复合材料微裂纹识别方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：获取电力工程纤维增强复合材料的lamb波混频响应信号；

5、步骤s2：根据所述lamb波混频响应信号，求取非线性参数β值；

6、步骤s3：根据非线性参数β值，计算幅值比，并构造该电力工程纤维增强复合材料的幅值比指向性图；

7、步骤s4：根据该电力工程纤维增强复合材料的幅值比指向性图，基于幅值比-裂纹方向分布规律，获取该电力工程纤维增强复合材料微裂纹的方向。

8、进一步的，步骤s1中，获取电力工程纤维增强复合材料微裂纹的lamb波混频响应信号，包括：

9、将混频激励信号在复合板特定位置进行上下对称激发，获取对应的响应信号。

10、进一步的，步骤s2中，根据所述lamb波混频响应信号，求取非线性参数β值，包括：

11、针对响应信号进行fft傅里叶变换，获取频域基波信号幅值以及和频边带信号幅值，根据式(8)计算非线性参数β值：

12、

13、式中，代表和频边带信号幅值，k1，k2，a1，a2和f1，f2分别是两个正弦分量的波数、幅度和频率。

14、进一步的，步骤s3中，根据非线性参数β值，计算幅值比，并构造该电力工程纤维增强复合材料的幅值比指向性图，包括以下步骤：

15、根据上述步骤s1-s2,依次计算12个接收点q1,q2,q3,...,q12的幅值比数值；该12个接收点在同一个半径为30mm的圆上，且各点角度依次相隔30°，所以0°到330°既可以表示裂纹的方向角度，也表示各接收点所对应的位置，即接收点q1对应60°，q2对应30°，依次对应。

16、将全部数据点导入matlab，计算生成对应的幅值比指向性图。

17、进一步的，步骤s4中，根据该电力工程纤维增强复合材料的幅值比指向性图，基于幅值比-裂纹方向分布规律，获取电力工程纤维增强复合材料微裂纹的方向，包括：

18、在散射场中波的传播符合波的广义反射定律的前提下，前向散射中的β值存在最大值，裂纹方向垂直于取得最大β值的接收点的径向方向，确定垂直于幅值比指向性图中的取得最大β值的接收点的径向方向为裂纹方向。

19、进一步的，幅值比-裂纹方向分布规律的确定方法包括：

20、利用有限元软件abaqus进行数值模拟，将微裂纹嵌入至复合材料模型的中心位置，并在板的四周加入混合人工吸收边界，构建仿真模型。

21、通过在模型特定位置处施加混频激励信号，获取携带微裂纹信息的响应信号。在保持混频激励信号不变的情况下，改变复合板中微裂纹方向并对获得的时域信号进行傅里叶分析，以此判断方向的变化对频域波形的影响。

22、利用不同方向的响应信号获取和频边带和基频信号幅值，定义非线性参数β值计算幅值比，并构造幅值比指向性图。

23、通过快速傅里叶变换对接收的和频边带信号进行提取，并对非线性参数β值进行分析，利用此参数构造幅值比指向性图，得出其分布规律，以实现对复合层板中微裂纹方向的识别。

24、进一步的，构建仿真模型的方法包括以下步骤：

25、模型采用电网应用中常见的纤维增强复合材料板，其尺寸为320mm×320mm×1.6mm，仿真时所用激励信号为90khz、290khz的汉宁窗调制5周期混频信号；

26、以坐标(0，0)为板的正中心，激励位置坐标为(0，60)，在此位置处的上下表面以集中力的形式进行对称激发，以产生单s0模态信号。接收阵列是在板的表面设置12个信号接收点，并编号q1,q2,q3,...,q12，以裂纹中心为圆心，半径为30mm呈等角度圆形排列。

27、设置零厚度cohesive单元，以嵌入的方式创建分层缺陷，裂纹中心位置在激励点沿y轴负方向60mm处，即板的正中心。裂纹长2mm、高1.6mm，裂纹长度方向对应模型的x轴方向。

28、cohesive单元的厚度为零，当施加的力达到单元强度的临界值时，cohesive单元从产生损伤到最后失效的过程可以用来表征结构分层破坏模式，达到模拟分层缺陷的仿真效果。构造含有cohesive单元的微裂纹区域，并嵌入至主板内部，将此区域与主板之间创建相互作用，定义接触类型为硬接触、无摩擦。

29、采用八层准各向同性的叠层序列[45/-45/0/90]。由于每层是由相同的纤维材料组成，因此创建局部坐标系以显示复合层板的材料特性。复合层板的损伤类型(分层损伤)不同于铝板中的损伤，首先，复合层板分层损伤的特点是cohesive单元损坏和故障，其次，cohesive单元的厚度为零，因此在相同位置需对重复的节点进行编号，以模拟分层损伤。

30、采用了变网格密度的网格划分策略。

31、对模型的网格划分尺寸为0.5mm，时间步长设置为300μs。

32、进一步的，对微裂纹区域的网格进行局部细化，其网格单元尺寸设置为0.2mm。

33、进一步的，所述方法还包括：

34、为了降低端面反射波对接收信号的影响，在模型的四周添加sarmar吸收边界和等效三维一致粘弹性人工边界组合而成的混合边界单元模型。

35、所述混合边界单元模型包括：

36、第一部分吸收边界是在原模型边界处向外延伸15mm的区域施加瑞利阻尼，

37、第二部分的等效三维粘弹性边界是在第一层吸收边界的基础上再向外延伸5mm的界面单元。

38、第二方面，本发明提供一种基于lamb波混频技术的电力工程纤维增强复合材料微裂纹识别装置，包括：

39、获取模块：用于获取电力工程纤维增强复合材料微裂纹的lamb波混频响应信号；

40、计算模块：用于根据所述lamb波混频响应信号，求取非线性参数β值；

41、图像模块：用于根据非线性参数β值，计算幅值比，并构造该电力工程纤维增强复合材料的幅值比指向性图；

42、识别模块：用于根据该电力工程纤维增强复合材料的幅值比指向性图，基于幅值比-裂纹方向分布规律，获取电力工程纤维增强复合材料微裂纹的方向。

43、第三方面，本发明提供一种基于lamb波混频技术的电力工程纤维增强复合材料微裂纹识别装置，包括处理器及存储介质；

44、所述存储介质用于存储指令；

45、所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述方法的步骤。

46、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

47、1、本发明方法利用非线性lamb波混频技术，对电力工程材料纤维增强复合板状结构中不同方向的微裂纹进行检测和识别，相比较传统检测方法对微裂纹损伤具有更高的灵敏度，提高了损伤检测方法的有效性和实用性。

48、2、本发明方法通过加入人工混合吸收边界后，响应信号的和频边带处能量更加集中，裂纹识别效果得以优化，利用从不同方向检测到的结构信息回波信号提高了损伤定位的精度。

49、3、本方法可以在误差允许的范围内识别纤维材料复合板中任意方向的微裂纹。