一种基于Lamb波非线性谐波激励的微裂纹监测方法及装置

本发明公开一种基于lamb波非线性谐波激励的微裂纹监测方法及装置，涉及列车安全监测。

背景技术：

1、轨道车辆等大型载运设备长期运行在复杂恶劣的环境中，各个结构一直受到高强度的荷载作用，容易产生裂纹损伤威胁列车安全。因此对结构的裂纹损伤的定位、识别和监测便成为了提高结构安全的重要话题。近年来，lamb波在结构健康监测中的应用越来越受到重视。lamb波能够对固体结构进行长距离的检测，在板结构损伤监测中显示出巨大的潜力。在基于lamb波的损伤诊断中，主要关注的是健康信号和损伤信号之间的差异，并从中提取损伤特征进行比较，从而实现损伤识别和表征。

2、在工程实际中，传统lamb波方法的诊断效果受裂纹尺寸影响较大，早期裂纹损伤尺寸较小，传统lamb波方法灵敏度低，容易发生漏检、错检现象。因此迫切需要开发一种新的方法来应用于lamb波的微裂纹监测。

3、一种潜在的方法是基于lamb波非线性谐波激励的微裂纹监测方法，该方法依据非线性谐波产生条件及误差条件，构造符合条件的激励频率组合，建立非线性lamb波谐波激励模型，通过非线性特征值预估曲线，进行损伤诊断。

4、然而，基于非线性lamb波的裂纹损伤监测尚未广泛应用，激励频率的选取以及模态的选择缺乏适用性依据。面对不同结构的板材，不同激励频率的非线性lamb波有不同的灵敏度，不同的组合产生的谐波强度也不尽相同，严重影响非线性lamb波的裂纹监测效果与稳定性，无法真正应用到实际工程当中。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的问题，提供一种基于lamb波非线性谐波激励的微裂纹监测方法及装置，所采用的技术方案为：

2、第一方面，一种基于lamb波非线性谐波激励的微裂纹监测方法，包括：

3、s1，根据预设尺寸，通过在目标结构上加工裂缝作为人工裂纹；

4、s2，根据材料特征，通过非线性谐波产生条件及误差条件，解析并构造符合所述产生条件和误差条件的激励频率组合；

5、s3，根据所述激励频率组合进行选取，建立非线性lamb波谐波激励模型；

6、s4，获取不同损伤程度板材的信号数据，构造并拟合非线性特征值预估曲线，建立损伤诊断预估模型；

7、s5，根据测试集，通过所述损伤诊断预估模型输出所述测试集的裂纹尺寸。

8、在一些实现方式中，s3中，选取条件具体包括：

9、通过模态展开分析方法，得出二阶组合谐波的解；在混合频率ω(2)＝ωa±ωb处，两个基频lamb波ua和ub混合产生的场能够用一系列的lamb波的线性组合来表示：

10、

11、其中是第m个lamb波在混合频率为ω(2)，波数为时的场函数；所述am(z)是相应的展开系数：

12、

13、在ω(2)＝ωa±ωb处，有以及时，因子sin(δmz)/δm＝z，并且第m个组合谐波模态的幅值随着z线性增加。

14、在一些实现方式中，s4中，根据符合条件的所述频率组合中，选取用于损伤诊断的频率组合，具体包括：

15、s41，将非线性特征值预估曲线中相速度与频率的关系，转化为波数和频率的关系；

16、s42，将所述波数和频率的对应数据存储于二维矩阵中，并按照从左到右激励模态依次升高排列；

17、s43，根据所述激励模态，通过xxx进行选取并列出符合组合条件的基础模态。

18、在一些实现方式中，s4还包括，s44，在所述基础模态的对应列中，从上至下依次选取频率f1，对应波数k1；

19、s45，在另一个基础模态的对应列中，从上至下依次选取频率f2，对应波数k2；

20、s46，根据计算误差值设定δm，将满足误差的频率组合输出，同时输出该频率组合对应的激励模态。

21、所述s5，具体包括：获取不同损伤程度板材的信号数据，进行时域、频域分析，提取非线性特征值。构造并拟合非线性特征值预估曲线，得到损伤诊断预估模型。将测试集输入损伤诊断预估模型，输出测试集样本的裂纹尺寸。

22、将激励lamb波信号u+表示为

23、u+＝a1 cos(kx-ωt+α)+a2 cos(2kx-2ωt+α)

24、其中α为初始相位角。将该lamb波信号相位延后π激励，即反相，记为u-，表示为

25、u-＝a1 cos(kx-ωt+α+π)+a2 cos(2kx-2ωt+α+π)

26、将两式在时域上叠加，此时基波会相互抵消，而二次谐波会得到增强。

27、u2＝u++u-

28、＝a1 cos(kx-ωt+α)

29、+a1 cos(kx-ωt+α+π)

30、+a2 cos(2kx-2ωt+α)

31、+a2 cos(2kx-2ωt+α+π)

32、＝2a2 cos(2kx-2ωt+α)

33、同样地，如果将两激励信号的时域进行相减，就会消除二次谐波，得到增强的基波。

34、u1＝u+-u-

35、＝a1 cos(kx-ωt+α)

36、+a1 cos(kx-ωt+α+π)

37、-a2 cos(2kx-2ωt+α)

38、-a2 cos(2kx-2ωt+α+π)

39、＝2a1 cos(kx-ωt+α)

40、相位反转法即分别激励原信号与反相信号，并将两组接收信号按时域相加和相减，分别得到二次谐波和基波。

41、选择的传感器为压电陶瓷片，使用集成结构健康监测扫查系统来进行lamb波信号的激励与接收。对于基频激励二次谐波，材料的二阶非线性系数从形式上能够定义为

42、

43、其中k为基频波的波数，z为传播距离。a2为二次谐波幅值，a1为基频波的幅值。参数f中的变量分别表示：波数相匹配的误差值；介质内质点振动位置；纵波相关的部分波单位矢量；横波相关的部分波单位矢量；纵波相关的部分波单位矢量；oy轴之间的夹角；横波相关的部分波单位矢量与oy轴的夹角；二阶弹性常数；三阶弹性常数。

44、考虑到参数f的表达式较难获取，且已经包含了lamb波传播过程中产生的非线性的主要信息，因此对于给定的基频波数与适当的传播距离，能够将下式作为lamb波二次谐波的非线性损伤特征值。β'增加，说明材料的非线性增加，能够认为材料的损伤程度增加。

45、

46、采用三次函数建立微裂纹诊断模型，对微裂纹长度在3mm以内的部分构造关系曲线，其形式能够表示为

47、l＝α0+α1β+α2β2+α3β3

48、第二方面，本发明实施例提供一种一种基于lamb波非线性谐波激励的微裂纹监测装置，包括：

49、预处理模块，用于根据预设尺寸，通过在目标结构上加工裂缝作为人工裂纹；

50、频率组合模块，用于根据材料特征，通过非线性谐波产生条件及误差条件，解析并构造符合所述产生条件和误差条件的激励频率组合；

51、组合模型模块，用于根据所述激励频率组合进行选取，建立非线性lamb波谐波激励模型；

52、预估模型模块，用于获取不同损伤程度板材的信号数据，构造并拟合非线性特征值预估曲线，建立损伤诊断预估模型；

53、裂纹预测模块，用于根据测试集，通过所述损伤诊断预估模型输出所述测试集的裂纹尺寸。

54、在一些实现方式中，所述组合模型模块中，选取条件具体包括：

55、通过模态展开分析方法，得出二阶组合谐波的解；在混合频率ω(2)＝ωa±ωb处，两个基频lamb波ua和ub混合产生的场能够用一系列的lamb波的线性组合来表示：

56、

57、其中是第m个lamb波在混合频率为ω(2)，波数为时的场函数；所述am(z)是相应的展开系数：

58、

59、在ω(2)＝ωa±ωb处，有以及时，因子sin(δmz)/δm＝z，并且第m个组合谐波模态的幅值随着z线性增加。

60、在一些实现方式中，所述预估模型模块中，根据符合条件的所述频率组合中，选取用于损伤诊断的频率组合，具体包括：

61、参数转化单元，用于将非线性特征值预估曲线中相速度与频率的关系，转化为波数和频率的关系；

62、激励排序单元，用于将所述波数和频率的对应数据存储于二维矩阵中，并按照从左到右激励模态依次升高排列；

63、激励组合单元，用于根据所述激励模态，通过xxx进行选取并列出符合组合条件的基础模态。

64、在一些实现方式中，所述预估模型模块，还包括：

65、第一频率选取单元，用于在所述基础模态的对应列中，从上至下依次选取频率f1，对应波数k1；

66、第二频率选取单元，用于在另一个基础模态的对应列中，从上至下依次选取频率f2，对应波数k2；

67、差值处理单元，用于根据计算误差值设定δm，将满足误差的频率组合输出，同时输出该频率组合对应的激励模态。

68、第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行时，实现如上述第一方面所述的方法。

69、第四方面，本发明实施例提供一种计算机存储介质，所述计算机可读取存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，用实现如第一方面所述的方法。

70、本发明的一个或多个实施例至少能够带来如下有益效果：

71、本发明的有益效果为：本发明方法，通过考虑材料特性、材料几何尺寸等因素，依据非线性谐波产生条件及误差条件，计算并构造符合条件的激励频率组合。选取合适的激励频率组合，建立非线性lamb波谐波激励模型。获取不同损伤程度板材的信号数据，进行时域、频域分析，提取非线性特征值。构造并拟合非线性特征值预估曲线，得到损伤诊断预估模型。将测试集输入损伤诊断预估模型，输出测试集样本的裂纹尺寸。本发明能够解决现有的车辆结构早期损伤微裂纹监测方法之中存在的技术问题。例如，传统损伤监测方法无法有效对长距离薄板进行损伤诊断；传统损伤监测方法对微裂纹的敏感性较低，面对尺寸过小的裂纹时方法失效。本发明能够利用lamb波的非线性机理，有效提高裂纹监测的准确性与敏感性，进一步针对早期损伤下的微裂纹进行监测和评价。