一种基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法

本发明属于结构无损检测，具体涉及一种基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法。

背景技术：

1、圆柱壳体构件是航空动力装备和新能源装备中的关键基础构件，如航空发动机和燃气轮机的机闸、氢气储罐、风力发电机的塔筒等，长期服役下化学侵蚀、材料老化、应力腐蚀开裂、疲劳、温差开裂等常见裂纹会造成圆柱壳构件设计承载力出现重大隐患，定期的结构健康监测和维护对于确保圆柱壳构件的安全性和可靠性至关重要。

2、传统无损检测手段如声发射、磁场、涡流、热成像和射线等属于局部方法，只能一次检测有限的区域，必须进行多次测量来检查结构或特定区域进行检查。同时传统无损检测方法检测服役结构需要靠近待测结构并持续检测，检测效率较低。

3、振动法无损检测技术能全局识别结构损伤且对早期损伤敏感，所以能够及早发现圆柱壳构件中的潜在问题，有助于预防裂纹损伤扩展。其中，模态振型由于包含局部信息从而能够准确定位、定量损伤，所以在振动法中模态振型是最常用的模态参数。

4、目前基于模态振型的圆柱壳构件损伤识别方法瓶颈在于直接从模态振型曲面中难以观察到损伤特征，通常做法是用无损伤的模态振型与有损伤的模态振型进行差值对比，但对于已长期服役的圆柱壳构件来说，想要获得与其边界条件、老化程度等诸多参数相同的无损伤模态振型是极其困难的，这些障碍严重阻碍振动法无损检测技术应用的广泛性和有效性。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述问题，提供一种基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法。

2、第一方面，本发明提供一种基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，包括以下步骤：

3、1）、获取圆柱壳构件的径向位移模态振型；所述径向位移模态振型包括多阶径向位移模态振型；

4、2）、对某一阶径向位移模态振型的每条周向线进行分形变换；

5、3）、根据分形变换后的径向位移模态振型分形壳面进行识别与定位裂纹，实现圆柱壳构件的损伤检测。

6、进一步，本发明所述基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，步骤2）所述对某一阶径向位移模态振型的每条周向线进行分形变换包括：定义描述圆周线不规则程度的分形维数值；对于某一条周向线，指定扇形滑窗尺寸和移动步长，扇形滑窗从周向线某测点出发再回到该测点，移动中分别计算扇形滑窗区域内径向位移模态振型周向线的分形维数值。

7、所述扇形滑窗的尺寸决定了裂纹检测的可行性，过大的窗口会导致裂纹对分形维数影响较小；同时，过小的窗口会导致裂纹被分割在不同的滑窗中，这样会影响裂纹尺寸检测的不完整性。窗口尺寸大小的选择一般是选择当扇形窗口内周向线分形维数取得最大值时所对应的窗口尺寸的大小。

8、所述扇形滑窗的步长决定了径向位移模态振型分形维数壳面的光滑性，步长的大小应该尽可能的小，一般是只要能满足裂纹检测实时性的要求即可。

9、进一步，本发明所述基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，步骤3）所述根据分形变换后的径向位移模态振型分形壳面进行识别与定位裂纹包括：

10、根据扇形滑窗区域计算出的分形维数值所处的空间位置用扇形区域中中间测点的坐标值表示；

11、遍历扫描径向位移模态振型中每一条周向线，根据每个扇形滑窗的分形维数值和所处位置确定径向位移模态振型所对应的分形壳面；

12、若圆柱壳构件存在局部裂纹，其分形变换后的分形壳面在局部裂纹的端部形成局部奇异峰，根据奇异峰定位和定量裂纹，实现圆柱壳构件的内部裂纹检测。

13、进一步，本发明所述基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，所述分形维数的获取方法包括如下步骤：

14、所述圆柱壳构件采用两套坐标系：圆柱坐标系和直角坐标系，圆柱坐标系下每个测点的空间位置用坐标（ θ，ρ，z）表示，对应直角坐标系下的位置用坐标 ( x, y, z)表示；

15、一个扇形滑窗区域中的径向位移模态振型周向线由预设的若干测点组成，通过插值函数采用点与点之间二分法，将扇形滑窗区域中周向线测点进行插值处理；

16、所述分形维数采用每个测点的径向位移变化率作为描述指标，变化率表达形式如下：

17、 τ=| r- r|/ r

18、其中 τ i是测点的径向位移变化率， r是圆柱壳构件的半径， r是测点的径向位移，，( x 0 ,y 0 ,z 0)是每一圈周向线的圆心坐标；

19、不同二分次数下扇形滑窗区域的径向位移变化率之和为：

20、

21、其中 θ=2(m-1)π/(n(k-1))代表扇形滑窗区域的圆心角尺度， n是周向线完整一圈上测点的总数量， k是扇形滑窗区域中周向线上测点数量与二分点数量之和， m是扇形滑窗区域包含的初始测点数量；

22、扇形滑窗区域周向线分形维数通过log(t θ)和log( θ)之间的最小二乘线性拟合直线的斜率来求得：

23、 t θ~ θ -d

24、其中 d就是典型扇形滑窗区域周向线分形维数值。

25、进一步，本发明所述基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，所述遍历扫描径向位移模态振型中每一条周向线时还包括对径向位移模态振型轴向线进行多分辨率滤波；多分辨率滤波的优点在于保留了由裂纹引起的高频波动，同时也弱化了高阶径向位移振型中趋势项引起的分形维数峰值。所述多分辨率滤波包括以下步骤：

26、a）将同一 θ处测点的z值作为横坐标，径向位移 r值作为纵坐标，构成一个一维信号；

27、b) 将上述一维信号利用symlet小波函数进行多层小波分解，得到若干子带信号，其中部分子带信号代表信号的低频趋势，将低频趋势的子带信号系数设为0，然后通过离散小波逆变换重构信号；

28、c）将重构后的测点按原空间位置布置得到去趋势的径向位移模态振型。

29、进一步，本发明所述基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，步骤1）所述获取圆柱壳构件径向位移模态振型的包括以下步骤：

30、首先进行测点布置，对圆柱壳构件外表面沿轴向均匀布置周向线，对每条周向线进行均匀测点布置；

31、采用移动力锤遍历所有测点并固定一个加速度计在任意一个测点进行测量；

32、利用力锤对圆柱壳构件表面测点施加脉冲激励，同时利用加速度计采集圆柱壳构件固定测点的径向锤击振动响应，根据激励与对应响应信号的傅里叶变换得到频响函数矩阵，利用各测点频响函数的虚部峰值和空间位置信息得到圆柱壳构件径向位移模态振型。

33、进一步，本发明所述基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，所述力锤的锤头采用硬塑料锤头，以便得到更宽频率范围下圆柱壳构件的振动响应；所述力锤的锤击方向沿着圆柱壳构件的径向。

34、第二方面，本发明提供一种基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别系统，包括振型获取模块、分形变换模块和裂纹识别模块；

35、所述振型获取模块，用于获取圆柱壳构件的径向位移模态振型；所述径向位移模态振型包括多阶径向位移模态振型；

36、所述分形变换模块，用于对某一阶径向位移模态振型的每条周向线进行分形变换；

37、所述裂纹识别模块，用于根据分形变换后的径向位移模态振型分形壳面进行识别与定位裂纹，实现圆柱壳构件的损伤检测。

38、第三方面，本发明提供一种基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如前述第一方面所述的基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法。

39、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如前述第一方面所述的基于模态振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法。

40、本发明所述基于振型的圆柱壳构件内部裂纹识别方法，通过对现有基于模态振型的圆柱壳构件损伤识别方法的改进，直接对服役状态下的模态振型进行损伤特征提取，解决现有振动法无损检测技术中需要健康振型对比这个瓶颈问题；本识别方法可以预先布置传感器在待测物上，直接将传感数据无线传回；同时，可以直接一次检测整体结构，不需要分区域检测，可显著提升检测效率，适于推广应用。