文摘
复合结构元素的应用程序的机器和车辆在各种运行条件下工作导致退化和发生的伤害。考虑到复合材料通常用于负责的元素,例如,飞机和其他车辆,它是极其重要的正常维护和检测,定位,确定损害发生在他们的操作在其发展的早期阶段。从一个伟大的各种无损检测方法的发展到目前为止,似乎vibration-based方法的最便宜的同时有效的测量数据适当处理。在过去几十年的大受欢迎vibration-based结构性测试获得了小波分析由于其灵敏度高伤害。本文概述结果众多领域的研究人员vibration-based损失评估支持的小波分析和小波结构损伤评估的详细描述(WavStructDamAs)基准,它总结了作者的5年在这一领域的研究。基准包括例子各种复合结构的损伤识别问题与各种伤害类型使用大量的小波变换和支持工具。公开可用的基准,并允许执行分析例子的问题以及自己的问题使用可用的分析工具。
1。介绍
越来越要求完整性和安全性的复合结构元素在操作飞机和其他车辆的诱导无损检测(NDT)方法的发展,应该对各种类型的损伤发生在复合材料考虑的特异性不同内部结构和特异性损伤起始和传播。这些方法也应该满足额外的标准;例如,他们应该允许早期损伤检测和识别;他们应该reference-free(即。,the conclusion about the damage presence and its type and shape should be determined based only on results of inspection of a damage structure without necessity of its comparison with a healthy structure or a model); they should allow performing the testing procedures in environmental conditions and be inexpensive.
从一个伟大的各种无损检测方法的发展到目前为止,基于振动测试的一组方法与先进的测量信号的处理似乎满足上述标准,可以成功地用于实验室检测和工业研究。实验数据的采集通常是基于模态分析。经典的模态分析,分析的固有频率和模态形状的变化当测试结构由外部源兴奋地振动,可以被认为是只有在足够大的损害,因为分析的模态参数(固有频率、阻尼比)是全球的,因此不可能定位损伤。此外,这种方法并不reference-free。考虑其他因素,例如,复合结构的机械性能的变化,基于评估的测试方法测试结构的固有频率的变化并不是有效的在工程应用中。延长vibration-based无损检测方法的分析可以发现,例如,在[1),作者提出了基于评估的方法概述固有频率和频率响应函数(降维),如模态保证标准或频域保证标准。
vibration-based无损检测的巨大潜力在于分析振动的模态形状。通常考虑共振形状;但是它不是一个必要条件等分析。损伤评估的概念基于模态形状是损害发生在测试结构局部刚度的变化原因;模态形状反映这种变化比自然频率。几项研究分析曲率模态形状可用文献中可以找到的1,2]。何鸿燊和尤3)使用的各种措施,如弹性指数模式形状弯曲,或模式形状振幅比较,以本地化分析模态形状的影响。他们的方法揭示了相对好的结果检测和定位网站媒体和很大程度上的伤害。作者使用模态形状的分化他们的一些措施,这是很有效的,尤其是当高阶导数。然而,当地的模态形状取决于损伤的大小和变化的小伤害这些变化不能辨认。为了探测、定位和识别损伤,先进的信号处理程序是必要的。几种方法已经应用于此类问题。一个简单而很有效的方法是基于高阶振动模态形状的衍生品。虽然这种方法有很多缺点,比如误差传播和放大,相当低敏感性,和结果解释的困难,可以成功地用于许多应用程序。几次在这方面提出了在4- - - - - -9]。为了提高灵敏度的结构损伤检测方法,应用了多种技术。拉特克利夫[起源的方法10)是基于改进的拉普拉斯算符的应用在振动模态形状,它允许结构损伤的检测与定位。的作者(11)已经开发出曲率损害因素,这表明节点位置的损害基于健康受损结构的比较。一个原始算法的精确检测和定位提出了损伤梁的Chandrashekhar和Ganguli12]。另一个有趣的方法是由猛烈和Klinkhachorn [13),作者用应变能模式形状为了检测和定位损伤。这种方法揭示了相对较高的灵敏度和准确性在损伤检测和定位。的作者(14]平滑方法用于二维结构的损伤检测和定位。进一步研究加强损伤诊断的敏感性和准确性和本地化覆盖文中针对方法(15),简要地变换(16),和许多其他人。为了提高检测能力结构的破坏,使用模态更新技术进行了一些研究。在这种情况下,模态参数(固有频率和模态形状)的测试结构用于建筑的分析或数值模型的结构,然后由此产生的模型相比,结构受损。因此,减少不准确的模型更新方法允许一个模型的更新使用实验数据得到的测试对象。它也有一个额外的优势的可能性的预测结构响应没有必要进行更多的实验。几个模型更新的技术已发展成了。一个应该注意两个调查这些技术(17,18]描述许多方法用于模型更新迭代和noniterative。模型更新技术进行比较研究,使用某些质量指标基于固有频率、模态形状,和降维描述的是(19]。最近的研究在模型更新技术使用了各种方法,包括微扰方法(20.),泽尼克时刻描述符(21,22),和其他人。由于应用的点态比较模态形状,可以本地化的损害相对较高的精度。
最有前途的方法之一,用于(SDI)在复合材料结构损伤识别是基于小波分析的。这种方法涉及到小波变换应用到振动模态形状。它在过去的十年里获得了大受欢迎主要是因为优秀的敏感性和识别能力的突然变化模态形状引起的本地更改测试结构的刚度。基本面在奇异点检测可以发现在23]。通常,两个一般类型的小波变换应用于vibration-based SDI问题,即连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)。类和DWT之间的主要区别是CWT的转移和扩展有关小波在一个连续的参数,而在DWT小波是转移和扩大在一组离散的值。通常,这些操作在执行组2的幂。结果,从CWT-based分析,获得一个量图(系数矩阵,它代表的信号能量)在空间(信号)的尺寸和规模不断改变。量图中的小波系数表示的匹配程度应用小波分析信号在不同的尺度和位置。CWT相比,DWT作用于离散值的变化和尺度,而考虑到Mallat的多分辨率分析(见[23])的详细信息,可以被描述为分层过滤过程使用一组信号的低通和高通滤波器,分别与尺度和小波函数。在1 d DWT的情况下,这导致两组在每个分解级别系数:集近似系数和细节。系数在这些集的数量小于两倍的原始信号由于大量毁灭过程只选择即使索引之前分解信号样本的筛选过程。考虑到DWT操作只在离散的值,这种变换是对CWT计算起来更高效。DWT的修改是一个平稳小波变换(SWT),省略了大量毁灭过程。这使得SWT高度冗余和DWT的尊重。附近的冗余,SWT允许移不变的分析在SDI是一个有用的属性问题,提高损伤定位的准确性。DWT之间的详细描述和比较,SWT,和一些其他的小波变换,还发现在SDI应用程序问题)提出了在24]。
第一个发表论文SDI应用小波分析是由Surace和场地25CWT),用于检测梁损伤的结构。的连续小波变换的研究应用空间版本与Haar小波SDI梁的裂缝提出了在26,27]。进一步的研究都集中在选择适当的参数分析,例如,小波,其顺序,CWT的尺度参数。在[28),作者应用与伽柏小波空间CWT SDI得票率最高梁基于数值数据。处理规模参数可以准确地检测和定位的模拟裂纹梁。进一步,作者推广他们的方法对二维结构和执行评估损伤位置和其相对的研究深度(29日,30.]。他们表现出伟大的有效性伽柏小波在SDI使用小波分析的问题。的作者(31日)使用CWT-based算法的Lipschitz指数估计梁结构的损伤检测和定位基于数值数据。李普希茨的获得价值指数的基础上,作者进行了一个分析的相对裂纹深度与使用墨西哥帽小波估计。几项研究使用CWT-based方法也由希腊科学组。从这组研究人员研究了应用小波在梁(SDI的影响32),发现它有一个很大的影响的敏感性,从而检测能力的损害。他们还执行CWT-based方法的实验验证射线(32)和平板状结构(33,34使用symlets]。类似的方法开发了非犹太人和墨西拿35),执行SDI在梁使用高斯小波。他们还调查了影响梁的边界条件和噪声的存在对该方法的敏感性。在SDI CWT-based方法问题的研究应用也由波兰科学组。Rucka和王尔德进行初步研究在受损的SDI树脂玻璃板使用空间CWT-based方法(36]。进一步,他们提出了SDI的结果基于梁的静态变形量(37和振实梁和板38]。他们还提出了一个比较研究各种小波适用于对特定参数的小波调查问题:消失的时刻,对称,宽度的有效支持。在此基础上比较研究他们选择高斯和扭转双正交的小波作为CWT-based损伤识别最有效的。其他研究者的结果(39)证实了高斯小波可能是最有效的SDI CWT-based方法使用时的问题。这在数学上是合理的,因为高斯小波正则,无限可诱导的,和完美的地方在空间和频率域;也就是说,他们从海森堡测不准原理实现最小空频产品。
额外的小波方法SDI由钟和Oyadiji使用SWT。这种变换有几个局限性对类(例如,应用小波的正交性和一个紧凑的支持);然而计算效率更高和更准确的在比CWT SDI的问题。作者应用基于swt的检测和定位算法的简单支撑梁裂缝(40),准确率高。作者声称他们的方法有更好的检测和定位能力比CWT-based算法和基于DWT算法。比较的分析基于symlet执行订单4。
几项研究也使用DWT-based方法执行。可能第一个SDI应用这种方法在复合材料提出了演唱et al。41),作者DWT用于低速冲击损伤的检测。然后,DWT-based方法尚未发达,除了混合SDI的连续小波变换算法的组合和DWT的作者提出的42]。第一次应用DWT-based算法是由本文的作者。一些实验研究进行复合材料悬臂梁与单个和多个损害站点利用DWT和b样条小波(43]。然后,方法是扩展到二维问题和验证数值以及振动试验模态形状predamaged复合板块(44]。尽管DWT有几个局限性对CWT (SWT-CWT一样,上面提到的),CWT冗余对DWT和SWT。提到的比较分析的结果进行转换和提升小波变换(轻型)已经证明DWT是最有效的变换SDI问题[45]。比较研究也涵盖特定的小波应用的有效性的评估SDI数值模态形状的转子叶片裂纹的两个位置。DWT-based SDI算法也适应了极坐标(2 d问题46];分析进行数值模态形状复合圆板的夹紧边缘。
最近,改善小波SDI算法基于改编小说转换和杂交的现有支持计算方法包括基于软计算的方法和人工智能。SDI问题的一种有效的方法,提出了由阿訇et al。47),使用一个离散曲波变换来检测crack-like表面结构损伤。几项研究在提高SDI算法由作者的团队。小波分析的新方法被用于SDI问题;例如,离散多小波变换(DMWT) [48),四元数小波变换(49)(HWT),梅花形小波变换(QWT) [50)被用于复合材料结构的损伤识别。考虑到伟大的属性和结果由Unser和客人51),分数的离散小波变换(FrDWT),这种方法适应SDI问题。第一个研究进行数值模态形状的复合材料悬臂梁(52),结果显示显著改善对先前应用算法。此外,2 d SDI问题的算法扩展基于变换由乔杜里和Unser [53)和应用各种类型的损伤识别的复合结构(54,55]。最后,提到的修改算法改进的解决结果集的系数,从而损伤定位的准确性,提出了(56]。
几个作者结合小波算法和改进的人工神经网络(ANN)的检测和定位能力。山药et al。57)结合小波算法和安改善三明治结构的损伤识别;Rucka和王尔德58)提出了一种结合小波变换和改进的安结构损伤的识别能力,而海因和Feklistova [59)这样一个组合用于估计损伤指标,描述分层发生在复合结构。一个原始的连续小波变换方法的组合和安提出了Morlier et al。60CWT用于损伤定位的),而安被用于识别使用模拟数据库。在几项研究优化程序使用,以提高灵敏度、检测能力,结构损伤的识别能力。一个有趣的算法提出了作者的61年),结合小波方法和贝叶斯网络的损伤识别复合结构。另一种方法采用小波技术与优化过程的杂交,而被用于提高灵敏度和定位能力的损害。发达的作者提出的方法(62年)是基于二维小波变换,它允许损伤检测和定位,然后进行粒子群优化过程评估损失严重。作者的研究小组提出了几次混合SDI领域的算法。第一项研究涉及检测和定位的分层复合材料层合梁分析的基础上获得的模态形状从数值实验63年]。SDI算法是基于FrDWT优化的小波参数,即分数阶参数转变,允许选择小波,使损伤识别过程的最佳参数。此外,这种方法扩展到2 d SDI问题[54应用小波),常见的最优参数的确定一组考虑的问题。在这种情况下,在夹紧表面损伤复合材料正交异性层合板与各种大小和方向正在接受调查。算法验证了数值和试验模态振动的形状。最后,metaoptimization SDI程序提出了(64年]。这种方法允许获得最佳nondominated面前解决方案关于小波参数,同时降低计算时间而不损失精度。
考虑以上提供的概述,可以突出的几个问题和因素,对噪声的敏感性有重要影响的方法伤害存在和定位的准确性。这些因素将在下一节中详细讨论。考虑在SDI获得经验和结果问题,是决定准备一个基准由SDI例子问题和必要的工具来执行使用小波分析方法。基准和指标的例子问题详细描述在一个单独的部分。
2。因素影响结构损伤评估的有效性
尽管SDI基于模态的模态分析和小波处理数据已经证明设施在实际应用程序中,有几个重要的因素影响SDI的检测能力和定位精度。尽管高度敏感的小波算法在突然的变化信号,分析了它们对噪声非常敏感。因此,适当的测量条件应满足以减少噪声对结果的影响模态形状。另一方面,如果噪音最小化是不可能的或者是不够的对于调查的情况,适当的去噪过程应该应用于分析的预处理步骤。第二组的因素是与选择适当的小波变换和小波应用于分析,是决定因素。最后,第三组的重要因素包括损伤位置的问题,认为测量点数,边界效应。这些因素在以下部分中详细分析。
2.1。测量条件和噪声
的初步测量设置用于SDI问题之一是基于外部激励的结构和测试执行使用加速度计测量。希腊科学组前面提到的这样的设置用于他们的实验研究32- - - - - -34很兴奋),测试结构的电磁振动器和使用两种加速度计进行测量:一个用于执行结构振动响应的测量,另一个作为参考。这样的方法可以有效的质量极小的加速度计对测试的质量结构;否则上的加速度计测试表面结构可能显著偏置结构的振动响应。这可能破坏隐藏信息的存在和位置。然而,如果选择这样的设置进行测试,每个人都应该注意最重要的两个因素:适当的频率范围内的加速度计和加速度计安装的一种适用于测试结构,以避免额外的信号干扰和测量噪声。这些以及其他因素影响测量精度(电缆连接要求、环境温度、电推理等)详细讨论了(65年]。先进的振动测量的实际应用的例子提出了加速度计由史密斯et al。66年),SDI是在f - 15上执行战术战斗机结构,然后由小波处理技术以检测结构损伤。
显著改善质量的测量振动信号时达到激光多普勒振动计(LDV)开始被应用在SDI测试设置。LDV的一般原则是基于提取振动的频率和幅度信息的测试表面在一个特定的角度反映激光多普勒频移。因为这个测量装置提供了使用激光非接触测量,信号采集是非常准确,同时消除测量装置对测试结构的影响。ldv广泛用于SDI问题为测试设置都由作者(44,49,50,55)和其他研究人员(39,67年- - - - - -74年]。至关重要的这些测量适当的表面反射率的测试结构,有什么直接联系获得信号的质量。为此应坚持反光带表面上或表面应覆盖的遮光的粉末。
为了避免信号干扰,他们可以去噪预处理阶段;然而设置不适当的过滤参数可能导致重要的损伤特性过滤掉噪音。进行了几项研究来调查这个问题。的作者(32]调查1%的人为添加噪声的影响对测试结构的模态形状的大小和显示损伤的检测能力变得更糟,当噪声幅度达到5%损伤检测是不可能使用的应用算法。同一个科学组进行裂缝的分析检测能力的依赖变量信噪比(信噪比)下不同深度。分析表明,裂缝是完全可以只在无噪声的情况下(信噪比:90 - 100分贝);在当信噪比= 60 - 70分贝,只有裂缝深度高于20%的总厚度的测试结构可以发现,当信噪比= 50 - 60 dB,裂缝深度高达40%的总厚度提出后仍无法觉察的过程。的作者(37)表示,噪音不腐败的测量信号;然而损伤深度相对较大,与测试结构的总厚度的25%。钟和Oyadiji [40)实现损伤检测能力高达5%的噪声对模态形状和大小的裂缝深度的总厚度的5%;但是他们的方法使用一个基线从立方曲线拟合获得模态形状。作者的研究信噪比水平(45)表明,裂缝深度的总厚度的8.3%时仍可检测信噪比= 55分贝。例如,信噪比典型的LDV测量条件(样本的距离1米)65.4 dB (75年),它允许甚至小损伤的精确识别。
另一个测试方法是基于执行测量使用嵌入式测量设备(例如,嵌入压电补丁和传感器(压电)和光纤布拉格光栅(fbg)传感器),它不仅能够连续结构健康监测的SDI还(SHM)。压电换能器的一个优势是,他们可以被用作执行器和传感器在单孔位微吹气扰动系统所需的属性。使用压电损伤识别过程是基于观察兰姆波传播特性的测试结构;可能损害扰乱这些波是一个指示器损伤的存在及其位置。当损伤导致小结构变化测试结构,先进的信号处理技术是必要的检测和定位。一些损伤定位技术使用PZT-based测量与测量信号的进一步处理提供的Ostachowicz et al。76年]。等信号处理技术,小波变换是一种最具吸引力的为此由于其非常高的灵敏度在信号局部奇异性。因此,它在许多研究发现在PZT-based SDI应用程序。的作者(77年,78年CWT和DWT)用于测量信号的去噪。小波数据处理的应用程序PZT-based实验研究可以发现在57,79年- - - - - -82年]。另一种方法,包括使用一个分布式传感器网络和小波分析,被Staszewski [83年和黄等。84年]。的作者(85年)提出了基于光纤光栅传感器测量系统。测试过程假定使用DWT-based算法进一步评估的结构性条件。陆et al。86年)光纤光栅传感器用于影响复合材料结构的损伤检测和定位,在小波变换的去噪预处理步骤中使用的测量信号。嵌入式测量系统允许的位移测量精度很高;然而它适用于使用单孔位微吹气扰动,因为测试结构应该提供这样的系统在制造阶段。
几次在SDI噪声数据的分析问题是由曹et al。72年- - - - - -74年]。他们提出了SDI算法基于Teager能量算子(TEO)结合CWT,确保损伤检测能力及其定位即使获得噪声信号是有偏见的。张志贤的概念也是由李et al。87年),成功地应用缺口平滑方法和TEO损伤定位核心三明治复合点阵桁架结构。
2.2。选择小波变换和小波
许多SDI研究各种小波变换和小波已经在过去的十年里,许多研究人员执行。从介绍可以看出,第一个SDI应用小波分析进行使用CWT-based算法。的有效性分析,尤其损害检测能力,很大程度上取决于所选择的小波;因此这样的分析应该进行小波变换和选择的小波。第一个研究小波分析应用于SDI问题是基于经验的观察结果集变换后的系数。作者(27,88年]Haar小波用于损伤诊断和定位;的作者(89年)使用双正交的小波,而作者的27,29日,88年应用复数的伽柏小波分析。首先介绍了在这一领域的系统研究香港et al。31日)和Douka et al。32),作者提出的消失的时刻之间的依赖应用小波和损伤诊断的有效性。香港等人应用墨西哥帽小波,而Douka et al。32- - - - - -34]以及钟和Oyadiji [40]symlets用于学业。进一步的系统研究,提出了由Rucka和王尔德(38),作者认为两个参数在选择小波变换:消失的时刻的数量和有效支持选定小波的长度。的作者(38)比较了考虑模态形状四阶多项式和选择高斯小波1 d SDI的最佳人选问题;调查了2 d问题他们选择撤销了订单5.5的双正交小波。高斯小波也非犹太人和墨西拿学业申请1 d SDI问题[35和风扇和乔392 d SDI问题。
波变换相比,小波的SWT有一些局限性,可申请分析;即应该(semi - bi)小波正交或正交,应该有一个紧凑的支持。作为主要贡献者SDI问题陈述(基于swt的算法的40),SWT是多余的对DWT变换;然而它允许移不变的小波分解。为此这类小波变换被选为SDI在梁提到作品以及作者的进一步的研究90年]。
DWT SDI问题的应用开发主要由以下论文的作者。DWT也有限制适用的小波,类似于SWT。因为作者曾经提出的高斯小波CWT-based算法并不适用于DWT-based分析的情况下,可以使用b样条小波作为替代品。从比较分析中给出44,45],DWT-based算法和b样条小波被选为SDI问题的最佳解决方案由于灵敏度最高的b样条小波和DWT的最佳计算效率。在系统分析中,两个参数选择Rucka和王尔德38](瞬间消失的数量和长度的有效支持小波)和附加parameter-symmetry wavelet-were的考虑。在选择小波秩序,有效支持的长度之间的妥协和许多消失的时刻应该达到小波,因为更大的有效长度支持影响边界的干扰破坏,造成模糊的损失系数。另一方面,如果小波的顺序太低伤害可能不能被检测到。
为了提高检测能力和定位的准确性,部分b样条小波是申请SDI问题而不是整数值b样条小波。这给可能的选择小波从实数的范围,大大提高了损伤检测能力和清晰的位置(53]。此外,部分b样条小波移不变的(51),另外提高定位能力的损害。为了避免选择的小波参数的必要性,这些参数优化的混合算法开发。这些算法都申请1 d [63年)和二维(54SDI问题和允许选择最优参数的应用小波。这些算法中的多目标优化函数最大化的小波系数在损伤位置的同时最小化噪音的受损区域。最后,为了自动化的方法和减少计算时间优化的例程,SDI的metaoptimization算法问题[64年),基于优化的小波参数的优化参数的优化算法用于选择最优小波参数。该算法是数值和实验数据进行了测试。额外的研究向圆形结构。在[46),2 d DWT适应极坐标和几个数值测试。在[49]的四元数小波变换应用于分析复合圆形板包含。dual-tree分解的优点及其在SDI有效性问题是在这一节中讨论。
SDI的初步研究复合材料进行使用不可分的小波(49]和二重[48]。不可分的小波应用的优势(例如,梅花形小波由作者开发的91年])是应用梅花形方案50)允许细比二元方案用于DWT规模发展。此外,quincunx-based计划结果在一个近似集和一个细节系数,另外direction-invariant (DWT细节系数的三组的优先方向,对角线一个没有一个简单的解释(92年])。应用二重起源于Strela [93年)允许更好的本地化和减少不必要的文物在生成的系数(48]。因为二重向量包含至少两个尺度和小波函数,它创建了一个可能的选择一组合适的多小波向量小波函数,精确匹配必需品的调查问题。不可分的小波和二重的应用创造了新的研究方向,即改进的敏感性和本地化小波算法在SDI应用问题的能力。
2.3。损伤位置、采样距离和边界效应
损坏的位置有很大的影响在其检测能力和能力的本地化。这是因为生成的系数的大小与分析模态形状的大小;级越高,给定点的受损区域的高值小波分解后得到的系数。因此,如果损坏,例如,在夹具的测试结构,得到的系数不实现最高震级和损伤诊断问题。类似的情况可能发生,如果节点的损伤位置的同时,模态形状、位移的大小是非常低的。假设损伤位置是未知的,这个方法应该是敏感的损伤在每一个可能的位置。为了避免这个问题,它适用于考虑几个模态形状的分析,从而增加概率可能伤害恰逢模态形状的局部极值。为此获得系数可以添加。避免这种情况当正负系数降低,增加他们的绝对值是合适的。在某些情况下破坏系数的强调是可能通过添加欧几里得范数的平方系数或者通过确定系数考虑模态形状。 This technique is called the isotropic wavelet analysis. It was applied both in CWT-based algorithms [94年和DWT-based国家44,45,49,50,55]。
除了上述因素之外,另一个重要的因素影响损伤的检测能力和定位的准确性。初步研究采样距离对有效性的影响所建立的小波方法在SDI问题在香港等人在31日]和Douka等人[32]。很明显,测量点数的增加(减少采样距离)积极影响损伤检测能力和准确性在确定它的位置;然而在实验研究的测量点数的增加会导致显著增加测试时间,尤其是在2 d问题。为了克服耗时的测试的问题,作者的31日,32]提出的过采样测量数据,应用三次样条插值。这种技术进一步的作者所使用的(38,39,42]。然而,任何一种采样过密的应用可能会导致屏蔽的重要信息条件的损害。系统研究采样距离是由猛烈和Klinkhachorn [13),作者提出了公式计算各种配置的最优采样距离梁的边界条件,减小测量噪声的影响和截断误差发生在欠采样和采样过密。这个问题也调查了钟和Oyadiji [40];然而他们评估抽样距离对质量的损伤定位的影响只根据经验的观察。他们观察到减少采样距离导致的增加的定位精度以及系数的大小位置的损伤对其余系数;因此,小损害网站的检测能力也提高。
最后一个因素探讨了边界效应。这种效应发生特异性的小波分析的应用;即分析信号总是有限长度和沿着信号在小波的转移(考虑到应用小波有两个或两个以上的消失时刻)以外的零值信号域添加。结果,当小波到达的地区突然发生变化的一个信号(从零到零值),得到的系数在这个地区变得很大。偏差系数的数量以这样一种方式的数量成正比的消失时刻应用小波。此外,边界效应取决于测试结构的边界条件。从实用的角度来看,边界效应导致测试结构边界附近的地区是不合适的,他们不应该被认为是进一步分析。的作者(39)建议忽视区域,边界效应发生。然而,在测量一个小网格点的情况下,忽视了地区边界效应的发生可能显著降低有用的信息。此外,当出现边界效应,边界上的值通常比受损区域中的值更大;因此它适用于减少这些影响也为可视化的目的。为了减少边界效应,建立了几种方法。最简单和最常见的方法是基于信号扩展使用零填充等各种技术和constant-padding(扩展信号通过添加0或常量值)对称矩阵和反对称矩阵和反射和周期化95年]。Loutridis et al。34)推荐反射技术是适合减少2 d SDI的边界效应问题。更先进的方法,提出了边界效应减少Rucka和王尔德(37,38]。这些论文的作者提出的应用三次样条插值的邻居点测量,这是更有效地比以前讨论的技术实践。这些方法都是基于信号扩展;然而,他们不允许适当的损伤探测和识别的测试结构的边界地区。作者提出的另一种解决方案是(96年]。该算法是基于小波变换的修改替代所谓的边缘或小波在边界的区间小波。这样可以避免边界效应的问题但此外复杂算法。为了减少边界效应和避免SDI算法的复杂性,墨西拿(97年提出了两种不同的方法。第一种方法是基于同构测试的几何结构,而第二个是基于self-minimization技术。这些方法允许消除边界效应甚至在高背景噪声的情况下数据(信噪比= 40 dB)。Montanari et al。98年)提出了一个高效的基于多项式拟合函数的填充方法,它有几个优点对古典填充上面描述的方法。应用这种方法可以扩展一个信号没有失去连续性,如果损害存在边界地区不是蒙面高震级的系数值。
3所示。小波结构损伤评估(WavStructDamAs)基准
由于发达的小波算法SDI问题在过去几年,开发基准至关重要,其中包含数值从振动测试获得的数据和数据测试的新算法。自然,指标应包含的主要小波工具进行分析才能免费。满足这些标准的基准了基准主页和公开共享:http://ipkm.polsl.pl/wavstructdamas。基准包含143个示例问题1 d, 2 d和3 d受损复合结构,基于数值和实验数据,上传自己的用户数据的可能性进行分析利用小波变换实现和支持工具。基准是在Matlab环境中实现GUI(图形用户界面)应用程序。为了使基准用于广泛的社区,它是完全自动化的,不需要编程,使用它。此外,它是分布式的Matlab程序和一个独立的应用程序,而不需要Matlab环境。各种复合结构的指标包括例子问题可能发生的各种可能的伤害(裂缝和级距,空洞、分层和撞击破坏)。他们中的大多数被描述在不同的上市文件的主页基准(优化研究并不包括在基准由于非常耗时的algorithms-they可按照客户要求定制)。
基准是基于Matlab环境中使用Matlab的小波工具箱。几个小波变换实现了各种问题:对于一维问题,CWT, DWT, SWT,抽取小波变换(UWT) dual-tree(复杂的)小波变换(DTWT)和FrDWT;对于二维问题,DWT, SWT UWT, DTWT, DMWT, QWT;对于三维问题,DWT和DTWT。额外的后处理工具的边界效应去除函数生成的系数不管他们的取向(即。分解后的系数)使用四个算法。在每一个阶段的处理,可以导出数据到Matlab工作区(或文本文件在单机版的情况下),不限制用户执行额外的分析和修改现有的例程。
3.1。SDI基准问题的描述
实现基准问题可以分类的问题维度(1 d, 2 d或3 d)和字符数据(数值或实验)。所有1 d和2 d数值问题建模和计算在MSC Marc / Mentat Patran / Nastran或有限元软件。叠层复合结构是使用8-node六边形元素建模为固体,在参数层定义使用适当的建模者(特定的层刚度矩阵的定义)或单独每层(在本例中理想的接触层之间的假设)。裂缝和孔隙被扣除相应的建模元素的模型,而分层模拟接触层的失活在该地区的利益。详细描述包括材料特性以及参数的数值分析中描述的数篇论文(44- - - - - -46,48,49,54,63年]。
实验研究进行层压复合梁和板、夹层复合材料板与蜂窝芯材,复合材料飞机结构。
一维WavStructDamAs基准实验问题包括两种类型:复合梁单裂纹和多个裂缝。测试进行层压复合悬臂梁尺寸为250×25毫米和5.28毫米的厚度。执行测试过程使用扫描LDV Polytec埃因霍温- 400和点LDV Polytec刚才- 100作为参考的长度215毫米的决议44(单裂纹),39(多个裂缝)等距测量分。点LDV关注表面的夹紧框架。扫描LDV是与振动计控制器Polytec ofv - 5000内置速度译码器和一个电脑。激发的标本是由电动振动器TIRA电视- 51120,兴奋的标本尽管鸡尾酒的伪随机噪声信号直接从软件生成扫描LDV和功率放大器放大的喝水BAA 500。测试标本与多个裂缝和描述的实验装置图1。从获得的降维,提取振动模态形状,并进一步进行小波分析,以检测和定位的裂缝。实验的细节和结果使用DWT-based算法提出了在43]。
WavStructDamAs基准包含一组二维实验问题研究进行平方组合正交异性层合板损伤表面和影响,层压循环复合镀层与僵硬的包容、广场三明治复合板块核心毁损和影响损伤,损伤和飞机复合材料结构的影响。
广场组合正交异性层合板表面损伤包括三种类型:through-the-width裂纹,广场空间损伤,和多个损伤(网站各种尺寸和一个小的表面裂纹)。板的尺寸(包括表面和撞击破坏)如下:空间维度的300×300毫米和2.5毫米的厚度。所有的表面损坏是模拟使用数控铣床。模拟损伤的深度等于0.5毫米(测试板的总厚度的20%)。板块被夹在一个钢框架的内部框架的方形的边长250毫米。测试过程使用相同的实验配置(两个ldv支持设备)复合梁上面描述的情况。扫描过程进行250×250毫米的板材的表面面积和设置64×64的净等距测量分。模拟损伤与特定维度的方案和实验设置呈现在图2。
损伤识别研究上执行这些盘子使用各种方法被描述在44,54,63年]。
例子的问题影响复合材料正交异性层合板的损伤识别进行相同类型的盘子和使用相同的实验装置的板,表面损伤。影响损伤模拟在自己设计的试验台使用各种价值观的冲击能量和各种来源。试验装置和撞击呈现在图3。
润扬悬索桥的分析可视化图的选择模式4。损伤识别研究上执行这些盘子被描述在50]。
一个示例问题关心总统叠层复合圆板是基于实验测试板的直径500毫米,厚度为2.1毫米。为测试目的板直接安装在振动器。越来越多的目的一个圆孔被切断在板的中心,直径60毫米。在层压过程中扇形PTFE(聚四氟乙烯)第六个和第七层之间插入磁带。包含有径向尺寸相同的径向尺寸板和20°的角度标注。板被夹在其中心使用钢片直径78毫米。使用与前面相同的测试设备,模态分析都使用64×64的净计量点(在径向和角方向)。
这些测试的实验装置如图5。僵硬的识别的详细描述包含在这个板块中可用(49]。
三明治板空间维度的300×300毫米和4.1毫米的厚度使用例如问题实现WavStructDamAs基准由一个核心3毫米的厚度由芳纶纸饱和酚醛树脂生产六角单元配置。面对表生产玻璃纤维增强复合制成的纯形式的编织玻璃纤维织物。损失在生产过程中介绍了一个核心的封存与面前表。四个病例被认为是:through-the-width裂纹的核心,部分地方缺乏核心的不规则边界放置在板的中心,完整的地方缺乏核心的不规则边界放置在板的中心,以及一个核心之间的分层和上面对一张正方形的形状与尺寸60×60毫米放在一盘的中心。介绍了影响损害使用测试机(参见图的影响3)和各种来源和各种价值观的冲击能量。执行的测试是在相似的条件下,复合材料正交异性层合板的情况;也就是说,盘子夹在钢框架和使用两个ldv进行模态分析。详细的描述和结果使用FrDWT-based算法提出了在55]。
三个示例问题影响损伤识别实现的基准。第一个结构是生产玻璃纤维增强聚合物(GFRP)的形式复合维度的205×255毫米。三个几乎不可见的损伤(BVID)与冲击能量的影响3、6和9 J,分别介绍了在结构。板是夹在两个相反的边缘在一个钢架和扫描使用上述两个ldv的测试配置的表面积205×245毫米的净59×71等距点。第二个测试结构的形式是混合Al-GFRP-Al复合维度的200×255毫米。这是扫描的区域以同样的方式与图像的分辨率为73×190×250毫米51测试点。第三个测试结构的提取的军用飞机垂直尾翼钢筋加强剂和铆钉孔使碳纤维增强塑料制成,270×300毫米的空间维度。扫描过程进行网上260×300毫米的面积测量73×65点。飞机结构在空军理工学院的生产在华沙,波兰。这些结构的图像呈现在图6。这些研究的详细描述以及比较的结果与其他无损检测方法获得的结果可以发现在99年]。
(一)
(b)
基准的3 d包含两个额外的示例问题。在这些情况下的实验数据是基于扫描收集复合结构使用计算机断层扫描(CT)技术。的一个测试板尺寸300×150毫米和5毫米厚度是生产碳纤维增强塑料结构,而第二个板尺寸为800×150毫米,厚度2毫米的形式准备多层纬针织物的轻量级工程和高分子技术研究所(亲属),德国德累斯顿的图(图7)。这些板的制造细节和材料属性可以在找到One hundred.]。
在这两个板块,直径30毫米的圆孔在中间的标本被削减使用喷水切割方法Trumpf Trumatic WS 2500切割系统。在这个过程中,洞周围的剥落的地区发生。在层析测试3 d数据数组的452×504×83像素点和434×507×100像素点,分别。使用3 d DWT进行分析收集到的数据,以识别和检测结构损伤类型进行分类。损伤位置的详细描述和结果的分析可以发现101年]。
上述问题中实现WavStructDamAs基准可以使用可用小波分析算法在各种组合。为了演示基准性能在下一节中介绍了几个典型的分析。
3.2。的分析使用WavStructDamAs基准
第一个演示是叠层复合梁的例子问题上执行一个裂缝。获得的数据从数值模型由5模态形状,每个256计量点。经过选择的这个例子问题模态形状可用第一模态形状是可视化(见图8,左侧框架)。从问题描述窗口(可以在数据信息面板)可以确定了梁的尺寸和位置的伤害。在这种情况下两种分析类型选择:一维连续小波变换和一维复小波变换。在这两种情况下订单4的symlet应用分析。CWT-based分析的尺度参数执行5。DTWT-based分析作为单一层次分解。分析结果可用以正确的框架(图8)。基准的窗户与选择的结果对每个分析介绍了数字8和9,分别。
可以观察到的损害可检测(见结果在数据帧8和9);然而生成的系数是高度偏见的边界效应。为了消除这种影响的边界效应应用删除工具:CWT-based分析扩展的长度等于16分,而对于DTWT-based分析扩展长度等于10分。在这两种情况下信号的周期化技术应用扩展。分析获得的结果,我们可以观察到第三和第五模态形状敏感损害。为了可视化结果SDI的示例问题,讨论各向同性分析,获得的所有细节系数的平方相加。可检测到损伤位置获得情节均出口到单独的窗口和呈现在图10。
(一)
(b)
基准性能的下一个演示是基于示例之间的脱胶问题的核心在夹层板和面板。四模态形状可供这个例子的问题。分析使用2 d DWT-based与订单3的b样条小波算法单一层次分解。在执行分析之后获得水平和垂直系数的绝对值增加。一个窗口与结果呈现在图11。方形的舒解可以很容易地发现和本地化。
基准允许呈圆形结构的分析。在下一个例子演示问题圆形层压复合聚四氟乙烯扇形夹杂物进行了分析。分析了使用2 d FrDWT-based算法使用部分b样条小波的0.45和0.9倍转变选择模态形状的板(2 - 5、7和10 - 12)。进一步,从所得系数的真实和虚构的类型1 - 4被添加的考虑模态形状。扇形聚四氟乙烯包含检测和局部正确(见图12)。
最后,3 d的例子的一个问题。碳纤维增强塑料盘子的分析进行CT数据有一个洞,分层使用3 d DWT-based算法。3.3订单的双正交小波。分层方向的分解执行允许检测特定的测试板的横截面。在图13的结果显示。获得的细节系数类型4 (detail-detail-approximation)允许检测分层区域的边界。结果集系数呈现在图13首先在29层横截面的吗Z方向,然后旋转X- - - - - -Y提高可视化的视图和放大检测到损伤。
WavStructDamAs基准的性能和功能不限于证明情况下,可用于研究的可用的示例问题和自己的问题,可上传的用户,使用可用的小波变换和小波SDI的支持工具。
4所示。结论
提出了先进的评估结构损伤检测和识别领域的使用小波方法覆盖的表示在这个领域最重要的研究结果以及作者和他的团队的活动。几个重要因素影响的检测能力和定位精度的各种类型的破坏进行了分析。分析包括测量仪器和测量噪声的影响,应用小波变换和小波的影响和改进现有的小波方法的当前趋势申请SDI,损伤位置的影响,采样距离,和边界效应与讨论可能的损伤检测和定位的方法消除副作用和整体提高SDI的检测能力和准确性。
基于数值和实验研究的结果,作者和他的合作者在过去的五年中,WavStructDamAs基准已经开发并在Matlab环境中实现的。发达的基准有几个优点。首先,它包含143个例子问题基于数值和实验数据从测试中获得的复合结构与广泛的可能的损失。使这些数据公开可用,SDI领域的研究人员可以测试实现的算法或使用自己的数据。此外,用户可以上传自己的数据;因此WavStructDamAs可以用作一个工具。最后,基准测试已经开发成一个完全GUI应用程序;因此,编码进行分析是没有必要的。这将创建一个轻松快速地执行分析的可能性,另外太没经验Matlab使用基准测试用户。基准分布作为开源软件(用户可以修改和/或使用可用的代码在他们自己的应用程序)和一个独立的应用程序,而不需要Matlab安装在用户的系统。 The benchmark can be useful for researchers working in the area of nondestructive testing, structural damage assessment, and structural health monitoring as well as for students attending to the corresponding university courses.
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
该研究项目是由美国国家科学中心(波兰)授予没有根据的决定。DEC-2011/03 / N / ST8/06205。作者要感谢所有的贡献者进行实验研究。作者还想感谢两个匿名评论者的宝贵的意见和建议,允许改善显著。