一种金属点阵夹层板的损伤识别方法
【专利摘要】本发明提供了一种金属点阵夹层板的损伤识别方法，包括如下步骤：通过有限元模态分析或模态实验，获取待测试金属点阵夹层板结构的固有频率和振型，然后获取指定阶模态对柔度矩阵的特定贡献；再获得当单位载荷作用于结构所有自由度时，与指定阶模态对应的挠度分量；再利用间隔光滑法获得拟合后挠度分量，基于拟合前后挠度分量的差异得到指定阶模态的损伤因子；最后得到敏感标示量结果，利用敏感标示量结果，即可对任意金属点阵夹层板结构进行损伤识别。本发明能够仅根据金属点阵夹层板结构的目前状态，即可对其结构损伤情况进行判断，无需完好结构状态进行对比。
【专利说明】
一种金属点阵夹层板的损伤识别方法
技术领域
[0001] 本发明涉及材料领域，特别是涉及一种基于动力学特性、无参考的金属点阵夹层 板损伤识别方法。
【背景技术】
[0002] 金属点阵夹层板作为一种新型轻质多功能结构，具有高强、隔热、屏蔽辐射等显著 特点，被认为是最有发展潜力的防热形式之一，在热防护领域得到了越来越多的关注与应 用。当用于高速飞行器热防护结构时，金属点阵夹层板在极端的气动力/热载荷作用下，容 易发生损伤，如屈曲、面板局部熔穿、孔洞等。同时在制备过程中，金属点阵夹层板不可避免 会出现夹芯与面板局部虚焊、脱焊，点阵芯材扭转、弯曲、断裂等现象。损伤的出现会引起金 属点阵夹层板的力学特性变化，如降低结构强度和刚度，产生局部薄弱部位，改变结构固有 频率等动力学特性，容易引发结构共振，改变屈曲临界温度，增加屈曲失效风险等。因此，有 必要针对金属点阵夹层板开展损伤识别方法研究。
[0003] 由于构型特殊性和服役环境复杂性，加上制备工艺尚不成熟，金属点阵夹层板的 损伤也呈现多样化。相比于传统结构(梁、桁架、板等）的损伤识别，金属点阵夹层板的损伤 识别存在很大困难。
[0004] (1)在实际测量中，只能获得金属点阵夹层板面板动力学特性。当内部夹芯出现破 损、脱焊时，无法通过面板响应信息反演出内部损伤；
[0005] (2)动力学损伤识别方法的核心在于构造对结构损伤敏感的损伤标识量，相同的 研究对象，不同的损伤敏感标识量对损伤的敏感性千差万别。针对金属点阵夹层板结构，怎 样提取损伤敏感标识量并提高其损伤识别灵敏度，需要开展细致研究；
[0006] (3)服役过程中外部环境的剧烈变化引起飞行器的固有动力学特性变化，难以选 择某一状态作为损伤识别的标准，迫切需要开展无完好信息参照下的金属点阵夹层板损伤 识别方法研究。
[0007] 目前，针对金属点阵夹层板动力学损伤识别的相关研究还非常有限，所发展的方 法大部分均需完好结构信息作为参考，且难以掩盖面板与夹芯连接点奇异性对真实损伤识 另IJ的影响。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是要提供一种基于动力学特性、无参考的金属点阵夹层板损伤识别 方法。
[0009] 特别地，本发明提供一种金属点阵夹层板的损伤识别方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤100,通过有限元模态分析或模态实验，获取待测试金属点阵夹层板结构的固 有频率和振型；
[0011] 步骤200，利用获得的固有频率和振型，获取指定阶模态对柔度矩阵的特定贡献；
[0012] 步骤300,基于该特定贡献，获得当单位载荷作用于结构所有自由度时，与所述指 定阶模态对应的挠度分量；
[0013] 步骤400,根据所述指定阶模态对应的挠度分量，利用间隔光滑法获得拟合后挠度 分量，基于拟合前后挠度分量的差异得到所述指定阶模态的损伤因子；
[0014] 步骤500,基于获得的多个所述指定阶模态的损伤因子，得到敏感标示量结果，利 用敏感标示量结果，即可对任意金属点阵夹层板结构进行损伤识别。
[0015] 进一步地，所述步骤200中，柔度矩阵F由下式得到：
[0016]
[0017]其中，k表示指定模态的阶数，〇1^表示指定k阶的固有频率，C>k表示指定k阶的振 型，T表示矩阵转置运算，η为结构自由度数目。
[0018]进一步地，所述步骤200中，指定阶模态对柔度矩阵的特定贡献Fk通过下式得到：
[0019]
[0020] 其中，k表示指定模态的阶数，〇1^表示指定k阶的固有频率，C>k表示指定k阶的振 型。
[0021] 进一步地，所述步骤300中，结构第ti个自由度在该指定阶模态的特定烧度分量Dk (t〇通过下式得到：
[0022]
[0023] 所有自由度在该指定阶模态的挠度分量MDCk通过下式得到：
[0024]
[0025] 其中，k表示指定模态的阶数，t表示第t自由度，t2表示第t2自由度，ω该示指定k 阶的固有频率，Ok表示指定k阶的振型，FkSk阶模态对柔度矩阵的特定贡献，I为{1，1，，，， 1 } 1ΧηΤ〇
[0026] 进一步地，所述步骤400中，利用间隔光滑法获得点（i，j)拟合后挠度分量MDCk'的 公式为：
[0027]
[0028]式中，（XiJj)为结构上任意一点（i, j)的X和y坐标，ao，ai,，，，a7为点（i, j)第k个烧 度分量的8个拟合系数数值。
[0029]进一步地，拟合系数由下式得到：
[0030] A(xi,yj)k = C(xi,yj)*MDC(xi,yj)K
[0031] 式中，A(xi,yj)k为点（i , j)第k个烧度分量的8个拟合系数数值，A(xi,yj)k= {ao, ai，，，，a? hxsT; MDC(Xi，yj)κ为点（i，j)周围8个点的第k个挠度分量值，表示为{MDCk(xi-i， yj-0，MDCk(xi-Uj)，，，，，，MDCk(xi+1，yj)，MDCk(xi +1，yj+1)hx8T;C(Xi，yj)为系数矩阵，该系数 矩阵C( Xl，yj)的表示公式如下：
[0032]
[0033]进一步地，所述步骤400中，所述指定阶模态的损伤因子Zk通过下式得到： .^
[0034]
[0035] 进一步地，所述步骤500中，损伤敏感标示量DIm通过下式得到：
[0036]
[0037] 其中，1^与1(2分别为实际测量中起始阶模态与终止阶模态；
[0038]第k阶损伤因子Zk的权重系数akm通过下式得到：
[0039]
[0040] 其中，系数m决定高阶模态与低阶模态在损伤标示量DIm*的比重：
[0041 ]当m取小于0的数值时，随着k的增大akm减小，则在损伤敏感标示量DIm*，低价模态 的权重要大于高阶模态的权重；
[0042] 当m等于0时，随着k的增大，akm始终是一个固定数值，则在损伤敏感标示量DIm中， 低价模态的权重与高阶模态的权重相同；
[0043] 当m取大于0的数值时，随着k的增大akm增大，则在损伤敏感标示量DI^，低价模态 的权重要小于高阶模态的权重。
[0044] 本发明能够仅根据金属点阵夹层板结构的目前状态，即可对其结构损伤情况进行 判断，无需完好结构状态进行对比。
【附图说明】
[0045] 图1是本发明一个实施例的损伤识别方法的流程示意图；
[0046] 图2是本发明一个实施例中间隔点示意图。
【具体实施方式】
[0047] 当金属点阵夹层板结构出现局部损伤时，会引起结构局部刚度与质量分布变化， 进而导致结构动力学参数发生变化，如固有频率、振型等。因此，可以以结构的动力学特性 参数作为结构损伤发生的标志，来识别结构损伤的发生。由于柔度矩阵可由多阶模态计算 获得，且低阶模态比重较大，因此在实际测量中，较易获得且精度较高。同时，在实际测量 中，由于结构完好状态时的模态参数通常难以获得，本发明利用间隔光滑法(GSM)实现无基 线的损伤识别。由此，本发明针对点阵夹层板，提出一种基于柔度矩阵、间隔光滑法的无基 线的损伤识别方法。在以下公式中，同一参数代表的意义相同。
[0048] 如图1所示，本发明一个实施例的金属点阵夹层板的损伤识别方法，包括如下步 骤：
[0049] 步骤100,通过有限元模态分析或模态实验，获取待测试金属点阵夹层板结构的固 有频率和振型；
[0050] 步骤200,利用获得的固有频率和振型，获取指定阶模态对柔度矩阵的特定贡献；
[0051 ] 其中，柔庠矩阵F由下式得到：
[0052]
[0053]第k阶模态对柔度矩阵F的特定贡献Fk通过下式得到：
[0054]
[0055] 式中，k表示指定模态的阶数，〇1^表示指定k阶的固有频率，C>k表示指定k阶的振 型，T表示矩阵转置运算，η为结构自由度数目。
[0056] 步骤300,基于该特定贡献，获得当单位载荷作用于结构所有自由度时，与所述指 定阶模态对应的挠度分量；
[0057] 其中，结构第ti自由度在该指定阶模态的特定烧度分量Dk(ti)通过下式得到：
[0058]
[0059] 所有自由度在k阶模态的挠度分量MDCk通过下式得到：
[0060] MDCk= {Dk(ti)} =Fk · I ；
[0061] 式中，I为{1，1，，，，1}以1/，11为结构所有自由度数目沽表示指定模态的阶数41表 示第ti自由度，t 2表示第t2g由度，〇^表示指定k阶的固有频率，示指定k阶的振型，Fk 为k阶模态对柔度矩阵的特定贡献。
[0062] 可以看出MDCk只与第k阶模态相关，且与O1T2线性相关。
[0063] 步骤400,根据所述指定阶模态对应的挠度分量，利用间隔光滑法获得拟合后挠度 分量，基于拟合前后挠度分量的差异得到所述指定阶模态的损伤因子；
[0064] 其中，利用间隔光滑法获得点（i，j)拟合后挠度分量MDCk '的公式为：
[0065]
[0066]式中，（Xi，yj)为结构上任意一点（i, j)的X和y坐标，ao，ai,，，，a7为点（i, j)第k个烧 度分量的8个拟合系数数值。
[0067] k阶模态的损伤因子Zk通过下式得到：
[0068]
[0069]由于MDCk(Xi，yj)与MDCk(Xi，yj) '均与ω k-2线性相关，则损伤因子Zk与第k阶固有频 率ω k线性无关，只与第k阶振型相关。
[0070] 基于间隔光滑法(Gapped smoothing method，GSM)，利用图2所示点（Xi,yj)附近的 8个点对其MDCk( Xl，η)值进行拟合，其中8个拟合系数可由下式得到：
[0071] A(xi,yj)k = C(xi,yj)*MDC(xi,yj)K
[0072] 由于系数矩阵C(X1Jj)只与点（ij)坐标(Xl，n)相关，与c〇 k-2无关，而MDCk与c〇k-2 线性相关，则拟合得到的100^1，以'也与〇^2线性相关。系数矩阵以11，^)参见下式 ：
[0073]
[0074] 式中，A(xi，yj)k为点（i，j)第k个烧度分量的8个拟合系数数值，A(xi，yj)k= {ao, ai，，，，a? hxsT; MDC(Xi，yj)κ为点（i，j)周围8个点的第k个挠度分量值，表示为{MDCk(xi-i， yj-1)，MDCk(xi-i，yj)，，，，，MDCk(xi+i，yj)，MDCk(xi+i，yj+i)}ixsT;C(xi，yj)为系数矩阵。
[0075] 步骤500,基于获得的多个所述指定阶模态的损伤因子，得到敏感标示量结果，利 用敏感标示量结果，即可对任意金属点阵夹层板结构进行损伤识别。
[0076] 由于多方面因素影响模态对损伤的敏感性，如损伤类型，损伤位置与程度，振型 等。为了综合考虑不同损伤对不同阶模态的影响，基于损伤因子Z k，提出损伤敏感标示量 Dim，其计算公式如下：
[0077]
[0078] 其中，K^K2分别为实际测量中起始阶模态与终止阶模态;akm表示损伤因子Z k对损 伤敏感标示量DIm的贡献，即权重。第k阶损伤因子Zk的权重系数a km通过下式得到：
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]其中，系数m决定高阶模态与低阶模态在损伤标示量DIm*的比重：
[0084]当m取小于0的数值时，随着k的增大akm减小，则在损伤敏感标示量DIm*，低价模态 的权重要大于高阶模态的权重；
[0085]当m等于0时，随着k的增大，akm始终是一个固定数值，则在损伤敏感标示量DIm中， 低价模态的权重与高阶模态的权重相同；
[0086] 当m取大于0的数值时，随着k的增大akm增大，则在损伤敏感标示量DIm*，低价模态 的权重要小于高阶模态的权重。
[0087] 在识别金属点阵夹层板损伤时，会结合不同m值下的DIm，以便识别结构中的多种 不同类型、不同程度损伤。在识别中，可以选择参数DI- 2，DIo，DI2对损伤进行识别。
[0088] 通过上述公式，可以看出，本实施例提出的损伤识别因子仅基于结构当前状态的 模态值，而不需要完好结构的模态值，是一种无参考的损伤识别因子。
[0089]至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示 例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接 确定或推导出符合本发明原理的许多其它变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认 定为覆盖了所有这些其它变型或修改。
【主权项】
1. 一种金属点阵夹层板的损伤识别方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤100,通过有限元模态分析或模态实验，获取待测试金属点阵夹层板结构的固有频 率和振型； 步骤200，利用获得的固有频率和振型，获取指定阶模态对柔度矩阵的特定贡献； 步骤300,基于该特定贡献，获得当单位载荷作用于结构所有自由度时，与所述指定阶 模态对应的挠度分量； 步骤400,根据所述指定阶模态对应的挠度分量，利用间隔光滑法获得拟合后挠度分 量，基于拟合前后挠度分量的差异得到所述指定阶模态的损伤因子； 步骤500,基于获得的多个所述指定阶模态的损伤因子，得到敏感标示量结果，利用敏 感标示量结果，即可对任意金属点阵夹层板结构进行损伤识别。2. 根据权利要求1所述的损伤识别方法，其特征在于， 所述步骤200中，柔度矩阵F由下式得到：其中，k表示指定模态的阶数，《k表示指定k阶的固有频率，Ok表示指定k阶的振型，T表 示矩阵转置运算，n为结构自由度数目。3. 根据权利要求2所述的损伤识别方法，其特征在于， 所述步骤200中，指定阶模态对柔度矩阵的特定贡献Fk通过下式得到：其中，k表示指定模态的阶数，《k表示指定k阶的固有频率，Ok表示指定k阶的振型。4. 根据权利要求3所述的损伤识别方法，其特征在于， 所述步骤300中，结构第ti个自由度在该指定阶模态的特定烧度分量Dk(ti)通过下式得 到：所有自由度在该指定阶模态的挠度分量MD&通过下式得到： MDCk= {Dk(ti)} =Fk ? I 其中，k表示指定模态的阶数，ti表示第ti自由度，t2表示第t2自由度，《 k表示指定k阶的 固有频率，〇!^表示指定k阶的振型，Fk为k阶模态对柔度矩阵的特定贡献，I为{1，1，，，，1 } lXnT。5. 根据权利要求4所述的损伤识别方法，其特征在于， 所述步骤400中，利用间隔光滑法获得点（i，j)拟合后挠度分量MD&，的公式为： MDCk(xi, v;.)' = av+ + a:yt + a^yj + a4xf + + a6xfvj + a7xty2f 式中，（Xi，yj)为结构上任意一点（i，j)的x和y坐标，ao，ai,，，，a7为点（i，j)第k个烧度分 量的8个拟合系数数值。6. 根据权利要求5所述的损伤识别方法，其特征在于， 拟合系数由下式得到： A(xi,yj)k = C(xi,yj)*MDC(xi,yj)K 式中，A(xi,yj)k为点（i , j)第k个烧度分量的8个拟合系数数值，A(xi,yj)k= {ao,ai,,,, a? hx8T; MDC (Xi，yj)K为点（i，j)周围8个点的第k个挠度分量值，表示为{MDCk (xi-i，yj-i)，MDCk (xi-i,yj), ,,,, ,MDCk(xi+i,yj) ,MDCk(xi+i,yj+i)}ix8T；C(xi,yj)^j^ij(^g^,i^^ij(^g^C(xi, yj)的表示公式如下：7. 根据权利要求6所述的损伤识别方法，其特征在于， 所述步骤400中，所述指定阶模态的损伤因子Zk通过下式得到：8. 根据权利要求7所述的损伤识别方法，其特征在于， 所述步骤500中，损伤敏感标示量Dim通过下式得到：其中，心与心分别为实际测量中起始阶模态与终止阶模态； 第k阶损伤因子Zk的权重系数akm通过下式得到：其中，系数m决定高阶模态与低阶模态在损伤标示量DIm*的比重： 当m取小于0的数值时，随着k的增大akm减小，则在损伤敏感标示量Dim中，低价模态的权 重要大于高阶模态的权重； 当m等于0时，随着k的增大，akm始终是一个固定数值，则在损伤敏感标示量Dim中，低价 模态的权重与高阶模态的权重相同； 当m取大于0的数值时，随着k的增大akm增大，则在损伤敏感标示量DIm中，低价模态的权 重要小于高阶模态的权重。
【文档编号】G06F17/50GK106055760SQ201610354021
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】路玲玲, 宋宏伟, 黄晨光
【申请人】中国科学院力学研究所