基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的直升機(jī)結(jié)構(gòu)損傷成像算法

范澎澎， 姜忠東2， 任 帥2， 房紅征2， 單建兵2， 邱 雷

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016；2.北京航天測控技術(shù)有限公司 北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100041)

復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將其用于直升機(jī)結(jié)構(gòu)上，可有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，提高飛行性能、安全性和可靠性[1]。近幾十年來，直升機(jī)的所有結(jié)構(gòu)幾乎都開展了復(fù)合材料的應(yīng)用研究，并大部分得到了應(yīng)用推廣[2]。實(shí)際工程應(yīng)用中，因?yàn)橹鄙龣C(jī)在飛行環(huán)境中常面臨嚴(yán)峻的振動(dòng)載荷以及不斷變化的任務(wù)坡面會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷，從而造成安全隱患。因此，需要對直升機(jī)關(guān)鍵部位(如尾桁結(jié)構(gòu))進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，SHM)。

SHM是采用智能材料結(jié)構(gòu)的新概念，利用集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感/驅(qū)動(dòng)元件，實(shí)時(shí)在線地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息(如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和波傳播特性等)，通過信號信息處理方法提取結(jié)構(gòu)的損傷特征參數(shù)，識別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，并對結(jié)構(gòu)的不安全因素在其早期加以控制，以消除安全隱患或者控制安全隱患的進(jìn)一步發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康的自診斷、自修復(fù)，降低維修費(fèi)用[3]。相比于其他SHM方法，基于壓電和導(dǎo)波的SHM方法以其損傷敏感、區(qū)域監(jiān)測等特點(diǎn)得到了廣泛研究[4-5]。南京航空航天大學(xué)袁慎芳教授團(tuán)隊(duì)[6-9]就基于壓電和導(dǎo)波的方法開展了長期的研究，在該領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其研究的相關(guān)損傷診斷成像算法已在多個(gè)飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)開展驗(yàn)證試驗(yàn)。此外，還有一些學(xué)者也在進(jìn)行基于壓電和導(dǎo)波的相關(guān)損傷成像方法和系統(tǒng)軟件的研究[10-11]。

為加快實(shí)現(xiàn)SHM技術(shù)應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)其對直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的全壽命周期的故障預(yù)測、診斷和維護(hù)，本文通過采用導(dǎo)波SHM方法研究了基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的損傷成像算法，并基于Matlab平臺編寫了一套損傷成像算法程序，最終利用在直升機(jī)尾桁結(jié)構(gòu)件上采集的導(dǎo)波信號進(jìn)行測試驗(yàn)證。

1 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的損傷成像算法

基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的損傷成像算法可以有效判斷傳感器網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域內(nèi)的損傷發(fā)生的位置，其原理如下：

① 對于任意的導(dǎo)波激勵(lì)-傳感通道，監(jiān)測信號從激勵(lì)信號產(chǎn)生時(shí)刻到傳感信號中任意一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，對應(yīng)著激勵(lì)信號傳播到達(dá)傳感器所需要的時(shí)間。

② 根據(jù)設(shè)定的微元大小尺寸，即圖像分辨率，將待監(jiān)測的結(jié)構(gòu)分成單元點(diǎn)，并用數(shù)字矩陣進(jìn)行表示，假設(shè)激勵(lì)的導(dǎo)波信號經(jīng)過結(jié)構(gòu)中的某一單元點(diǎn)散射后到達(dá)傳感器，則這一點(diǎn)到激勵(lì)器和傳感器之間距離之和為該點(diǎn)處散射信號的傳播距離。

③ 損傷可以作為散射信號的二次波源，而因?yàn)閾p傷引起的散射信號包含在監(jiān)測信號中，因此通過搜索監(jiān)測區(qū)域單元點(diǎn)并根據(jù)單元點(diǎn)距離激勵(lì)器和傳感器的距離和波速計(jì)算所需時(shí)間間隔，再通過將全部激勵(lì)-傳感通道的散射信號進(jìn)行時(shí)間間隔索引賦值疊加，則損傷處的信號幅值會(huì)凸顯出來，從而實(shí)現(xiàn)對損傷進(jìn)行成像。

基于上述成像原理，由于Matlab在數(shù)值、矩陣計(jì)算方面以及成像圖可視化方面非常便捷，而損傷成像算法涉及大量數(shù)值計(jì)算和信號處理函數(shù)調(diào)用，因此損傷成像算法使用Matlab平臺進(jìn)行了程序編寫，算法流程圖如圖1所示。

圖1 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的損傷成像算法流程圖

下面對算法流程進(jìn)行詳細(xì)說明：

① 讀取健康和損傷狀態(tài)下各激勵(lì)-傳感通道的導(dǎo)波信號數(shù)據(jù)以及波速v等算法參數(shù)。

② 求取對應(yīng)通道的損傷散射信號fn，n表示第n個(gè)激勵(lì)-傳感通道。

③ 確定激勵(lì)信號波峰峰值時(shí)刻t0。

④ 依次掃描監(jiān)測區(qū)域劃分的單元點(diǎn)S(i,j)，如圖2所示，單元點(diǎn)到激勵(lì)器和傳感器的距離如方程(1)所示。

圖2 損傷成像算法的圖像表征示意圖

(1)

利用波速v、峰值時(shí)刻t0、單元點(diǎn)散射信號的傳播距離可以求取各損傷散射信號到達(dá)傳感器的時(shí)刻，如式(2)所示。

(2)

索引對應(yīng)時(shí)刻的各個(gè)損傷散射信號幅值進(jìn)行疊加，得到目標(biāo)單元點(diǎn)的圖像像素值S(i,j)，如式(3)所示，掃描完畢后即構(gòu)建圖像矩陣S。

(3)

式中，N表示激勵(lì)-傳感通道數(shù)目，即損傷散射信號個(gè)數(shù)；An表示權(quán)值系數(shù)，取各損傷散射信號的歸一化系數(shù)。

⑤ 判斷圖像中像素值超過較大且集中的區(qū)域即為損傷所在區(qū)域。

⑥ 導(dǎo)出成像數(shù)據(jù)和定位結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

直升機(jī)尾桁復(fù)合材料板傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置如圖3所示。將壓電智能夾層傳感器布置在加筋處兩側(cè)，設(shè)置激勵(lì)信號為五波峰，中心頻率為50 kHz，信號采集長度為5000 個(gè)點(diǎn)，采樣率為5 MHz。損傷采用防水密封膠來模擬損傷，為控制損傷模擬受防水密封膠大小、粘貼力度等影響，規(guī)定防水密封膠尺寸為20 mm×20 mm，粘貼力度為盡力按壓。

圖3 直升機(jī)尾桁復(fù)材板傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

① 在結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)時(shí)，設(shè)置9#傳感器激勵(lì)、1#～8#傳感器傳感，并將采集到的導(dǎo)波響應(yīng)信號作為基準(zhǔn)信號；當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，進(jìn)行相同通道參數(shù)的設(shè)置，此時(shí)9#傳感器激發(fā)的導(dǎo)波信號傳播到損傷位置處被散射，如圖4(a)所示，并由1#～8#傳感器進(jìn)行響應(yīng)作為損傷信號。

② 通過本文編寫的基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的損傷成像算法程序進(jìn)行整個(gè)待監(jiān)測區(qū)域的損傷位置搜索和定位，如圖4(b)所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

同一模擬損傷為盡量消除粘貼力度的影響，因此做了多次實(shí)驗(yàn)，損傷成像算法都能識別到損傷，且經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)該損傷成像算法程序的運(yùn)行時(shí)間與計(jì)算機(jī)性能以及信號數(shù)據(jù)量大小有關(guān)，在本實(shí)驗(yàn)中配置的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境為英特爾i5處理器，主頻2.5 GHz，4 GB內(nèi)存，100 GB固態(tài)硬盤；軟件環(huán)境為Windows 7企業(yè)版，32位，Matlab R2009a。單次實(shí)驗(yàn)采集信號數(shù)據(jù)包括20個(gè)激勵(lì)-傳感通道的健康、損傷信號以及相關(guān)參數(shù)，總計(jì)約5 MB，損傷成像像素分辨率為Δx=4 mm，Δy=4 mm，針對本結(jié)構(gòu)監(jiān)測區(qū)域約100×100個(gè)單元點(diǎn)，可基本實(shí)現(xiàn)15 s左右顯示損傷成像結(jié)果。

圖5給出了在4個(gè)綠色圓形點(diǎn)處布置模擬損傷的成像結(jié)果，這里設(shè)置成像的像素分辨率為Δx=4 mm，Δy=4 mm。

從圖5中可以看出，像素值較大且集中的區(qū)域幾乎與實(shí)際損傷位置重合。損傷定位統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

實(shí)際損傷坐標(biāo)/mm判定損傷坐標(biāo)/mm誤差/mm(100,100)(90,105)11.2(-100,100)(-110,90)14.1(-100,-100)(-88,-90)15.6(100,-100)(90,-105)11.2

算法中設(shè)定像素值大于閾值的點(diǎn)的重心點(diǎn)位置即為判定的損傷定位結(jié)果。進(jìn)一步分析損傷定位誤差，一方面發(fā)現(xiàn)相比于400 mm×400 mm的監(jiān)測區(qū)域，誤差可以有效控制在20 mm以內(nèi)；另一方面分析誤差可能是由于直升機(jī)尾桁復(fù)合材料板是各向異性材料，而算法中在計(jì)算波速時(shí)目前采用的是各個(gè)通道方向的

平均波速來進(jìn)行計(jì)算，雖然能夠在一定程度上提高損傷定位結(jié)果的準(zhǔn)確率，但是依舊會(huì)影響圖像矩陣S中像素值的計(jì)算，從而造成最終成像結(jié)果的誤差。

3 結(jié)束語

本文在直升機(jī)尾桁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件上通過導(dǎo)波SHM實(shí)驗(yàn)研究并驗(yàn)證了基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的損傷成像算法，該方法定位誤差小，執(zhí)行效率高，可以滿足直升機(jī)SHM地面實(shí)驗(yàn)分析的需要。算法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上對于直升機(jī)等航空航天領(lǐng)域?qū)?dǎo)波SHM技術(shù)的應(yīng)用具有參考作用。本文的后續(xù)研究方向可以重點(diǎn)針對損傷程度的定量化開展工作，為面向工程應(yīng)用提供更為明確的決策和指導(dǎo)意義。