基于Lamb波和支持向量機(jī)的復(fù)合材料損傷定位研究

曲磊 蘇晨輝

摘 要：為解決復(fù)合材料損傷定位問題，提出了一種基于Lamb波和支持向量機(jī)的定位方法。首先呈正方形均勻布置4個(gè)壓電傳感器，采用質(zhì)量塊模擬損傷。通過小波濾波以及傅里葉變換提取帶有損傷信息的頻率特征，將8960（64×140）組頻率樣本作為輸入、以損傷位置作為輸出建立基于支持向量機(jī)的損傷位置辨識(shí)模型。最后經(jīng)測試，60個(gè)（共64個(gè)）損傷位置準(zhǔn)確識(shí)別，正確識(shí)別率為93.75%。說明此方法可以較高精度的辨識(shí)損傷位置，該研究對及早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷位置，提高整體結(jié)構(gòu)的安全性具有重要的意義和研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;損傷定位;Lamb波;支持向量機(jī)

中圖分類號：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.109

1 引言

復(fù)合材料以優(yōu)異的性能在航空、航天及軌道交通中廣泛應(yīng)用。但其在制造或服役期內(nèi)不可避免產(chǎn)生損傷影響結(jié)構(gòu)安全，對其進(jìn)行損傷評估尤為重要。Lamb波具有檢測范圍廣、敏感性高等特點(diǎn)使其成為檢測損傷的理想選擇。

在基于Lamb波的損傷識(shí)別中，由于復(fù)合材料自身各項(xiàng)異性以及波在復(fù)合材料中的傳播尚不清楚，難以利用信號的特征指標(biāo)找到辨識(shí)規(guī)律。但可以采用具有強(qiáng)非線性擬合能力的智能算法建立定位模型，將提升定位精度。為此提出了基于Lamb波和支持向量機(jī)的損傷定位方法。將信號進(jìn)行濾波及提取帶有損傷信息的頻率特征，利用支持向量機(jī)建立損傷模型。經(jīng)測試表明該方法可以較高精度識(shí)別損傷位置。

2 系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)

選定尺寸為600 mm×600 mm×2 mm、鋪層順序?yàn)閇0°/90°]8的復(fù)合材料開展實(shí)驗(yàn)，呈正方形均勻布置4個(gè)壓電傳感器，其在板中的位置如圖1（c）所示。并在復(fù)合材料劃分64個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的尺寸為3cm×3cm。

圖1是損傷位置識(shí)別實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，頻率為50 kHz的Lamb波由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出經(jīng)放大器加載到激勵(lì)器上，其余傳感器經(jīng)示波器采集信號。其中損傷是采用粘結(jié)直徑為20mm的質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)的。采用“DB8”小波和4尺度分解消除信號中含有的白噪聲，去噪前后的信號如圖2（a）所示，可以看到噪聲信號被剔除。

復(fù)合材料損傷會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)發(fā)生變化，因此可以通過傅里葉變換提取損傷特征，建立頻域信息與損傷之間的關(guān)系模型。圖2（b）與（c）是損傷位于不同位置時(shí)信號的頻域圖，可以看到不同位置之間頻率的差異。

3 結(jié)果與討論

在圖1（c）所示的每個(gè)損傷位置分別采集140次數(shù)據(jù)經(jīng)信號處理形成樣本數(shù)為8960個(gè)的訓(xùn)練集。將其代入支持向量機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練得到損傷識(shí)別模型。最終在每個(gè)位置開展一次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行損傷測試，結(jié)果如圖3所示，其中有60個(gè)準(zhǔn)確辨識(shí)，識(shí)別率為93.75%。說明該方法具有較高的損傷位置辨識(shí)精度。

4 結(jié)論

研究了基于lamb波和支持向量機(jī)的復(fù)合材料損傷位置識(shí)別方法。采取主動(dòng)激勵(lì)的方法檢測復(fù)合材料的損傷，支持向量機(jī)可以建立信號與損傷之間的復(fù)雜映射關(guān)系。該方法正確識(shí)別率為93.75%，證明其在復(fù)合材料板損傷定位識(shí)別方面具有較高的準(zhǔn)確性和應(yīng)用潛力。

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