基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法
专利汇可以提供基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种基于 电阻 抗成像 损伤监测的 复合材料 强度预测方法。所述基于 电阻抗成像 损伤监测的复合材料强度预测方法包括：一、电阻抗成像损伤检测步骤组建用于 电流 激励和 电压 测量的 电极 阵列到被测结构件的外形边界；采集电极上的数据并处理，利用测量得到的数据重建构件 电阻率 分布图像并以图形的方式显示，利用结构内部损伤状况与结构内部电阻率分布的映射关系，实现结构损伤的实时检测；二、结构强度实时 预测分析 步骤将电阻抗成像损伤检测步骤得到的损伤实时检测结果与有限元渐进损伤强度分析理论相结合实现结构强度预测；融合接近未知真实损伤状况的结构件损伤检测信息，实现在有损伤情况下对结构件损伤后剩余强度的准确预测。，下面是基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法专利的具体信息内容。
1.一种基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法，其特征在于，包括：
一、电阻抗成像损伤检测步骤
组建用于电流激励和电压测量的电极阵列到被测结构件的外形边界；
采集电极上的数据并处理，利用测量得到的数据重建构件电阻率分布图像并以图形的方式显示，利用结构内部损伤状况与结构内部电阻率分布的映射关系，实现结构损伤的实时检测；
二、结构强度实时预测分析步骤
将电阻抗成像损伤检测步骤得到的损伤实时检测结果与有限元渐进损伤强度分析理论相结合实现结构强度预测；
融合接近未知真实损伤状况的结构件损伤检测信息，实现在有损伤情况下对结构件损伤后剩余强度的准确预测。
2.如权利要求1所述的一种基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法，其特征在于：步骤一具体包括如下步骤；
步骤1：制作电极，围绕被测结构件的四周组建用于连接电流激励和电压测量设备的电极阵列；
步骤2：采集数据并处理，对被测结构件沿着边界电极施加多组激励，在施加一组激励的同时沿着边界测量得到多组边界电压；
步骤3：利用EIT重构被测结构件电阻率，并显示分布图像；
步骤4：实现损伤检测，利用具有导电性的材料在受损时，其电阻率会相应发生变化这一自检特性实现；在未产生局部损伤时，结构件上的电阻率分布近似均匀；在产生损伤后，局部损伤处由于内部微观构造发生改变，内部导电通路变化，造成该区域电阻率值突变。
3.如权利要求1所述的一种基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法，其特征在于：在步骤3中具体包括如下内容：
EIT正问题是已知电导率σ求解被测结构件场域的电位分布φ，满足偏微分方程(1)及边界条件方程(2)，且采用数值近似方法求解：
▽·[σ(x,y)▽φ(x,y)]＝0,(x,y)∈Ω (1)
假设电极数为正整数N，将场域剖分成M个三角形单元，共K个结点，M、K均为正整数；用ρn(n＝1,2,…,M)表示第n个单元的电阻率值，用Yi(i＝1,2,…,N)表示在第i组激励电流下的总体刚度矩阵，用φim(i＝1,2,…,N；m＝1,2,…,K)表示在第i组激励电流下场域中第m个结点处的电位；用Vij(ρ)(i,j＝1,2,…,N)表示在某一计算得到的电阻率ρ分布下，第i组激励下第j组计算得到的相邻电极上的边界电压数据；其中，Vij(ρ)＝T·φim，T为转换矩阵；
EIT逆问题是已知电位分布φ求解被测结构件场域的电导率σ；对于被测结构件实际电阻率ρ*分布，用Uij(i,j＝1,2,…,N)表示在第i组激励电流下第j组实验测量得到的相邻电极上的边界电压数据；EIT逆问题也就是根据该测量数据Uij来计算场域内电阻率ρ*的分布，电阻率ρ与电导率σ存在关系：ρ＝1/σ；在实际求解中，EIT逆问题就是数学上的最小二乘问题，即寻求电阻率分布ρ，使得式(3)中的E(ρ)最小。
4.如权利要求1所述的一种基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法，其特征在于：在步骤3中，采用基于NOSER算法的改进算法实现EIT逆问题的求解，具体计算过程如下：
(1)利用有限元求解电阻率均匀为1条件下，场域相邻电极上的边界电压 其中(2)根据公式(4)计算初始电阻率
(3)根据公式(5)计算
(4)根据公式(5)-(8)计算雅克比矩阵J，雅克比矩阵J的逆J-1；
Bn,m＝γAn,mδn,m (7)
Jn,m＝An,m+Bn,m (8)
其中，γ为一很小的正实数，δ为一单位矩阵；
(5)根据公式(9)计算场域电阻率分布；
ρ＝ρ(0)-[J(ρ(0))]-1·F(ρ(0)) (9)
(6)结果图像显示；假设每幅图片的像素尺寸为长L像素、宽W像素，其中L、W为正整数；
每个像素具有RGB三种通道的颜色值，建立像素的颜色数组Color[R，G，B]；
每个单元中各像素点的Color[R，G，B]相同，具有最大电阻率值ρmax的单元对应红颜色数组Color[255，0，0]，具有最小电阻率值ρmin的单元对应蓝颜色数组Color[0，0，255]，其余单元的颜色数组采用线性插值函数来计算。
5.如权利要求1所述的一种基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法，其特征在于：步骤二具体包括如下步骤：
步骤1：量化并引入损伤信息；
电阻率是表示物质电阻特性的物理量，假设材料长L，宽W，厚d，S为横截面积，在温度一定的情况下，有公式(10)
考虑由EIT重建获得的第n个单元的电阻率ρn，由EIT技术的原理可知，在损伤产生前后，只有电阻率产生了变化；各单元厚度即构件厚度一致均设为d0，各单元电阻率在损伤前一致均设为ρ0；在电学模型中，有式(11)
假设dn为力学模型中第n个单元的厚度，因为后续的强度分析与电学分析所采用的有限元模型相同，所以该单元在电学模型中电阻率为ρn；力学模型中没有电阻率这一物理量，因此，将单元的电阻率变化等效为单元的厚度变化，有式(12)
联立式(11)、(12)即可获得力学分析中某一单元的电阻率ρn与厚度dn之间的转换关系式(13)，从而实现了强度分析中损伤信息的量化和引入：
步骤2：预测强度；
采用有限元渐进损伤强度分析理论预测结构件在实时检测到的损伤状况下的强度；
采用位移加载的方式，在构件的一端施加固定约束，另一端施加位移载荷，所用复合材料的应力-应变响应关系由该材料的单轴拉伸试验数据拟合得到，失效准则采用最大应变准则，所用极限应变同样由试验获得；
强度计算的理论依据包括用户自定义的材料刚度折减模型，模型的建立和求解基于有限元法实现。
基于电阻抗成像损伤监测的复合材料强度预测方法
技术领域
背景技术
等，因此初始设计很难保证构件在工作期间不损坏，通时又由于这些因素大多不可预测，因
而很难准确地知道构件产生损坏的时间和方式。采用损伤在线监测的方法可以解决上述问
题。EIT技术就是其中一种，该技术通常被用于研究表面以内或外部无法获取信息的研究对
象，可以实现损伤的实时在线检测，具有较高的原位检测能力。例如，Loyola B R，Briggs T M等人利用EIT技术，成功探测出玻璃纤维复合材料试验样品的钻孔损伤和低速冲击损伤
(见Loyola B R,Briggs T M,Arronche L,et al.Detection of spatially distributed
damage in fiber-reinforced polymer composites.Structural Health Monitoring,
2012,12(3):225-239.)。
构件的渐进损伤过程进行数值模拟，最终预测得到材料或结构件的强度(例如，张超,许希
武,毛春见.三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测[J].复合材料学报,2011,28(2):
222-230.)。可见，此类方法中结构件的损伤情况是仿真模拟得到的，缺乏一定真实性，从而
导致强度预测结果的不准确性。若将损伤监测技术与强度预测方法两者有机结合，则在能
很大程度上提供强度计算的准确性，例如中国专利CN107092721A《一种含低速冲击损伤复
合材料结构剩余强度评估方法》。但是该专利提出的方法也存在很多问题，例如需要对多个
复合材料试验件进行冲击试验，成本高，只局限于低速冲击损伤类型，目视检测损伤的方法
误差较大，同时损伤特征参数较多，损伤引入的方式较为复杂，强度预测缺乏实时性等。
发明内容
法可由EIT技术对结构的损伤位置和损伤程度进行实时的精确定位和分析，且可同步、准确
地预测结构件的剩余强度。
后，局部损伤处由于内部微观构造发生改变，内部导电通路变化，造成该区域电阻率值突
变。
流下的总体刚度矩阵，用φim(i＝1,2,…,N；m＝1,2,…,K)表示在第i组激励电流下场域中
第m个结点处的电位；用Vij(ρ)(i,j＝1,2,…,N)表示在某一计算得到的电阻率ρ分布下，第i
组激励下第j组计算得到的相邻电极上的边界电压数据；其中，Vij(ρ)＝T·φim，T为转换矩
阵；
邻电极上的边界电压数据；EIT逆问题也就是根据该测量数据Uij来计算场域内电阻率ρ*的
分布，电阻率ρ与电导率σ存在关系：ρ＝1/σ；在实际求解中，EIT逆问题就是数学上的最小二乘问题，即寻求电阻率分布ρ，使得式(3)中的E(ρ)最小。
单元电阻率在损伤前一致均设为ρ0；在电学模型中，有式(11)
理量，因此，将单元的电阻率变化等效为单元的厚度变化，有式(12)
应变准则，所用极限应变同样由试验获得；
具体实施方式
以解释本发明，并不用于限定本发明。
件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体
保护范围。
式，也就是说包括不可拆卸地固定连接、可拆卸地固定连接、连为一体以及通过其他装置或
元件固定连接。
的实时检测；
的数据并处理，第三部分是利用测量得到的数据重建构件电阻率分布图像并以图形的方式
显示，利用结构内部损伤状况与结构内部电阻率分布的映射关系，实现了结构损伤的实时
检测。可选择地，电阻抗成像损伤检测中的传感器阵列数量一般为16或32，保证重构图像效
果良好所必须的信息量；而且，电阻抗成像损伤检测过程中的图像重构算法采用基于NOSER
算法的快速牛顿一步误差静态电阻抗重构算法，自主编译程序实现该算法的运算，该算法
对目标的定位准确度和分辨率较好，保证了损伤检测的准确度，该算法重建一幅图像约需
0.15秒，保证了实时在线检测的可行性。
模式(从相邻电极注入电流、相邻电极测量)；
题的求解；
后，局部损伤处由于内部微观构造发生改变，内部导电通路变化，造成该区域电阻率值突
变。
型示意图如图5所示：
流下的总体刚度矩阵，用φim(i＝1,2,…,N；m＝1,2,…,K)表示在第i组激励电流下场域中
第m个结点处的电位；用Vij(ρ)(i,j＝1,2,…,N)表示在某一计算得到的电阻率ρ分布下，第i
组激励下第j组计算得到的相邻电极上的边界电压数据；其中，Vij(ρ)＝T·φim，T为转换矩
阵；
邻电极上的边界电压数据；EIT逆问题也就是根据该测量数据Uij来计算场域内电阻率ρ*的
分布，电阻率ρ与电导率σ存在关系：ρ＝1/σ；在实际求解中，EIT逆问题就是数学上的最小二乘问题，即寻求电阻率分布ρ，使得式(3)中的E(ρ)最小。
度；该算法重建一幅图像约需0.15秒，保证了实时在线检测的可行性，具体计算过程如下：
为实际损伤位置，彩色图片较直观。
于融合了接近未知真实损伤状况的结构件损伤检测信息，实现了在有损伤情况下对结构件
损伤后剩余强度的准确预测。
单元电阻率在损伤前一致均设为ρ0；在电学模型中，有式(11)
理量，因此，将单元的电阻率变化等效为单元的厚度变化，有式(12)
应变准则，所用极限应变同样由试验获得；
应力分析、失效分析和材料退化。应力分析主要基于有限元法进行，失效准则用于确定发生
在局部区域的材料失效情况，材料退化用于描述在局部失效发生后材料性质的一种退化。
有限元渐进损伤强度分析理论的具体计算方法如图7所示，结构件有限元模型如图5所示。
结构件的断裂横贯面，结构件失效。通过计算得到的结构件应力-应变关系如图9所示。
环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改
动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附
权利要求的保护范围内。
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