复合材料结构冲击载荷的稀疏识别方法研究

The impact force acting on composite structures cannot be avoided in operation and maintenance, leading to the hidden, dangerous and vital internal damage, and brings potential troubles to the integrity and security of structures. The sparse theory emerges in recent years and can provide a new idea for impact force identification. Considering the ill-posed inverse problem of impact force identification on composite structures, the proposal will propose a new idea of impact force sparse identification in virtue of the sparse nature of impact force. In the sparse frame, a new localization method of impact force in case of the number of measured points far less than that of excitation sources will be proposed. A frequency-domain compressed sensing model for multiple impact localization with less measured points will be established by transforming impact localization into multiple impact force identification. Given impact location, a highly accurate identification method for impact forces acting on composite structures will be proposed. A time-domain group sparse model for reconstructing the force time history contaminated by highly noise will be established. As a result, the impact force can be precisely localized in frequency domain and accurately identified in time domain. On this basis, the mapping relation between the characteristic parameters of impact force and impact initiation damage will be established. Combining impact force identification with damage assessment, the proposal will construct an impact monitor system of composite structures including impact localization, force identification and damage assessment so that a new theory and method for health monitoring of composite structures such as wing and wind turbine blade can be provided.

复合材料结构在服役和维护过程中不可避免地受到冲击载荷的威胁，产生隐蔽性强、危害性大的致命“内伤”，给结构的完整性和安全性带来隐患。近年来兴起的稀疏理论为冲击载荷识别提供了一种新的探索途径。本项目针对复合材料结构冲击载荷识别不适定性反问题，挖掘冲击载荷稀疏特征，拟提出冲击载荷稀疏识别的新思路。在稀疏框架下，研究测点数远小于冲击源数的冲击载荷定位方法，将冲击定位转化为多源冲击载荷识别，建立少测点多源冲击载荷定位的频域压缩感知模型；已知冲击位置，研究复合材料结构冲击载荷高精度识别方法，建立强噪声干扰下冲击载荷时间历程重构的时域群稀疏模型，实现冲击载荷的频域精准定位和时域精确识别；在此基础上，研究冲击载荷特征参数与初始损伤的映射关系，综合冲击载荷识别和损伤评估，构建“冲击定位——载荷识别——损伤评估”三位一体的复合材料结构冲击监测体系，为机翼、风机叶片等复合材料结构健康监测提供新理论与新方法。

复合材料结构在服役和维护过程中不可避免地受到冲击载荷的威胁，产生隐蔽性强、危害性大的致命“内伤”，给结构的完整性和安全性带来隐患。近年来兴起的稀疏理论为冲击载荷识别提供了一种新的探索途径。本项目针对复合材料结构冲击载荷识别不适定性反问题，挖掘冲击载荷稀疏特征，提出了冲击载荷稀疏识别的新思路。在稀疏框架下，研究了测点数远小于冲击源数的冲击载荷定位方法，将冲击定位转化为多源冲击载荷识别，建立了基于Lp范数的冲击定位的非凸压缩感知模型，建立了冲击载荷定位与重构的非凸重叠组稀疏正则化模型，实现了利用2个测点反演重构54个潜在冲击源，突破了现有载荷识别方法求解欠定系统无穷多解的限制，极大降低了对传感器数目的需求；已知冲击位置，研究了复合材料结构冲击载荷高精度识别方法，建立了强噪声干扰下冲击载荷时间历程重构的时域群稀疏模型，突破了传统基于L2范数的冲击载荷识别方法精度低、不稀疏、不稳定的不足，与标准L1范数稀疏正则化方法相比峰值精度提高3倍；针对复合材料结构损伤难以定量评估问题，提出了复合材料结构损伤定量评估的稀疏正则化方法，建立了基于复合字典稀疏表示的冲击载荷与损伤等效激励联合识别模型，建立了冲击损伤与载荷之间的映射关系，实现了冲击位置、载荷大小、损伤位置、损伤程度的联合定量评估。以3种不同规格的碳纤维复合材料层合板和2类风机叶片为对象对上述方法进行了充分实验验证。构建了“冲击定位——载荷识别——损伤评估”三位一体的复合材料结构冲击监测体系，为机翼、风机叶片等复合材料结构健康监测提供了新理论与新方法。在国内外高水平期刊上发表论文25篇，其中SCI收录21篇，EI收录4篇；发表了8篇会议论文；申请了6项发明专利，授权了3项发明专利；研究成果获得2020年度陕西省技术发明一等奖、2019年度陕西高等学校科学技术奖励一等奖。