基于振動測試的載人潛水器結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)

趙子毅，丁忠軍2，張 奕2，潘文超

(1.青島科技大學(xué) 自動化與電子工程學(xué)院，青島 266100；2.國家深?；毓芾碇行?青島 266061)

隨著各國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和世界人口的不斷增加，對于海洋資源的勘探與開發(fā)成為21世紀人類社會發(fā)展的重要依托。載人潛水器是深海運載裝備的一種，是深海戰(zhàn)略中的前沿技術(shù),得到了世界發(fā)達國家的高度重視[1]。載人潛水器是深海資源勘查與實現(xiàn)科學(xué)研究的重要運載工具，在未來世界海洋資源的開發(fā)中占有重要的地位。但是由于載人潛水器的工作環(huán)境復(fù)雜，其不斷受到的變化荷載與外部沖擊，會對其結(jié)構(gòu)造成損傷。根據(jù)統(tǒng)計，在20142018年間，每航次結(jié)束后都發(fā)現(xiàn)潛水器框架有不同程度的損傷，共檢測到161處缺陷，其中構(gòu)件連接處即焊縫處出現(xiàn)裂紋的頻率最高[2]。因此，對于載人潛水器的維護保障與運行管理變得尤為重要。我國載人潛水技術(shù)還處于起步階段，各方面技術(shù)均比較薄弱，加上載人潛水器材料的特殊性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對于載人潛水器的現(xiàn)場維護維修是一個巨大的挑戰(zhàn)。一般情況下，對載人潛水器的快速損傷，常采用目視法檢測，該方法準確率低下；或待航次結(jié)束后，在陸地上對拆卸后的載人潛水器進行著色檢測，工作效率低下且成本較高；目前常用的超聲檢測并不適用于焊縫連接處；射線檢測、磁粉檢測等方法的效率較低，操作復(fù)雜且成本高。因此，針對上述情況，需要一種快速、即時評估的技術(shù)手段，對甲板上帶載潛水器進行快速損傷檢測，從而提高工作效率，節(jié)約成本。

基于振動測試的損傷檢測方法是一種有效的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法，能夠快速對結(jié)構(gòu)進行損傷分析，得到了廣泛的研究與應(yīng)用。對結(jié)構(gòu)施加振動激勵信號，通過傳感器采集該振動響應(yīng)信號，若結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)損傷，采集的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)信號中將會包含有相應(yīng)的損傷信息[3]。目前,已經(jīng)有大量專家學(xué)者提出了基于振動測試對結(jié)構(gòu)進行損傷識別的方法，在國外，ALVANDI等[4]對振動測試的結(jié)構(gòu)損傷檢測進行過評估。RUCKA利用小波變換的方法識別了結(jié)構(gòu)平臺的振動響應(yīng)信號[5]。在國內(nèi)，郭健[6]利用小波分析對振動測試情況下的損傷識別進行了研究，并成功判別了損傷。余竹等[7]利用小波包能量曲率差法對振動測試的響應(yīng)信號進行分析,同樣得到了損傷差異。但是上述研究中，都是對橋梁等結(jié)構(gòu)進行分析試驗，而載人潛水器自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且材料為鈦合金，針對其結(jié)構(gòu)特點進行研究并得出損傷指標(biāo)就成為了一個重要課題。

因此，筆者將振動測試損傷檢測的方法應(yīng)用于載人潛水器架構(gòu)上，通過加速度傳感器采集振動響應(yīng)信號，搭配LabVIEW上位機采集數(shù)據(jù)。使用二進離散小波變換求得振動響應(yīng)信號的相對能量曲率，然后利用小波包變換得到小波包能量，結(jié)合兩者定義了損傷聯(lián)合評估方法的損傷指標(biāo)。最后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析得到，該聯(lián)合評估方法能夠?qū)d人潛水器的結(jié)構(gòu)損傷進行差異判別，能夠應(yīng)用于載人潛水器等深海運載裝備中，具有較好的應(yīng)用前景。

1 載人潛水器聯(lián)合損傷識別評估方法

小波分析是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的信號處理方法，有能在時域與頻域上表征信號局部特征的能力。三層小波分析及小波包分析分解示意如圖1所示(j為分解層次)，圖中以三層分解為例，通過小波分析的方法對信號進行樹形分解。

圖1 三層小波分析及小波包分析分解示意

如圖1所示，小波分解雖然具有多分辨率的特點，但是其主要對低頻部分進行分解，對高頻段的分辨率差，因此僅適用于部分特性信號。而小波包分析將每一層的所有子帶都進行分解，并傳遞至下層，從而達到對高頻與低頻都進行分解的目的。所以對于信號的分析，小波包分析是在小波分析的基礎(chǔ)上進行了加強。

1.1 小波分析能量的算法

通過圖1可知，小波分析中原始信號與分解的子帶信號間具有如下的關(guān)系

f(t)=A1+D1+AA2+DA2+AAA3+DAA3

(1)

式中：A1，AA2，AAA3為低頻近似部分；D1，DA2，DAA3為高頻細節(jié)部分。

根據(jù)式(1)分析可以得知，若存在一個振動響應(yīng)信號，只要選取合適的分解層次，便能夠?qū)⑺枰念l率成分落入某一頻帶內(nèi)。

采用小波分解信號的相對能量曲率差法進行損傷識別[8-10]。首先，對結(jié)構(gòu)施加瞬態(tài)沖擊激勵，為了使各階頻率信號分布在不同的頻帶上，需要選取合適的分解層次。假定進行探測的傳感器數(shù)目為n，經(jīng)過激勵沖擊后各傳感器收到的響應(yīng)信號經(jīng)過小波分解后的信號向量Y為

Y={y1(t),y2(t),…,yn-1(t),yn(t)}

(2)

式中:yn(t)為第n個傳感器接收到的振動信號；向量Y中包含有各個傳感器采集的振動響應(yīng)信號信息。

設(shè)第n個傳感器的振動響應(yīng)信號yn(t)的能量為

(3)

式中：T為信號采樣時間。

根據(jù)式(3)可得信號能量向量E為

E={E1,E2,…,En-1,En}

(4)

1.2 小波包分析能量的算法

當(dāng)對結(jié)構(gòu)施加一個外部沖擊響應(yīng)時，由于結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)損傷的部位會對激勵信號中的某些頻率成分造成增強，而對另一些頻率成分造成抑制。所以無損與損傷部位進行對比時，相同頻帶的能量會有差異。因此需要通過小波包變換求出不同頻帶的能量信號。

選取各個頻帶信號的平方和作為能量的標(biāo)志

(5)

式中：Ei為各個頻帶能量；M為樣本長度；fi(k)為某一頻帶的重構(gòu)子信號。

1.3 聯(lián)合損傷識別指標(biāo)

根據(jù)上述的能量計算方法，需要分別對其進行能量歸一化處理

(6)

Pi=Ei/(∑Ei)

(7)

式中：Pi為第i頻帶上的能量曲率。

由式(6)將得到信號相對能量向量e={e1,e2,…,en-1,en}，e代表各傳感器所測振動信號的相對強弱狀態(tài)。由式(7)將各頻帶的能量進行歸一化處理。通過式(8)求得第n處傳感器的相對能量曲率。

(8)

式中：ln,ln+1分別為測點n+1與測點n的距離。

然后利用式(9)求得總體相對能量，并將其作為聯(lián)合損傷識別指標(biāo)。

K=Δn+∑ΔPi

(9)

圖2 “蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器架構(gòu)

2 材料與方法

2.1 平臺與對象

潛水器框架由多規(guī)格鈦合金型材組焊而成，主要焊縫是型材本身拼焊的角焊縫和型材的對接焊縫。根據(jù)近幾年對潛水器框架結(jié)構(gòu)損傷的統(tǒng)計，裂紋出現(xiàn)頻率較高的位置是強構(gòu)件與弱構(gòu)件連接處、弱構(gòu)件與弱構(gòu)件連接處，占總?cè)毕萘康?6.7%和21.1%[2]。所以，文章在潛水器大修期間，針對構(gòu)件焊縫連接處進行了振動測試研究。

試驗所采集的數(shù)據(jù)均來自“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器(見圖2)。對去載后的“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器進行損傷檢測，選取損傷點進行測試分析。

2.2 測試系統(tǒng)

在對“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器進行振動測試的試驗中，利用程控電源、數(shù)據(jù)采集卡、四路加速度傳感器與Labview采集軟件構(gòu)成完整的測試采集系統(tǒng)。程控電源對四路加速度傳感器進行供電，傳感器將接收到的信號送至數(shù)據(jù)采集卡，試驗中采用的數(shù)據(jù)采集卡為4通道，因此可以同時接收4路傳感器信號，數(shù)據(jù)采集卡通過USB傳入LabVIEW上位機。測試系統(tǒng)原理示意如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)原理示意

試驗裝置中程控電源采用Keysight Technologics公司的N5766A型程控電源，加速度傳感器采用LANCETEC公司的ULT100型號，數(shù)據(jù)采集卡采用NATIONAL INSTRUMENTS公司的NI cDAQ-9174型號，使用LabVIEW2017版本對信號進行接收存儲。

2.3 試驗過程

在試驗過程中，針對“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的結(jié)構(gòu)特點和結(jié)構(gòu)損傷統(tǒng)計報告，選取關(guān)鍵部位進行對比檢測，分別在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的3個部位，1棧、2棧、4棧處選取結(jié)構(gòu)裂紋部位放置兩路加速度傳感器，并根據(jù)潛水器架構(gòu)的對稱性，在其軸對稱位置結(jié)構(gòu)無損傷處放置另外兩路加速度傳感器進行比較，共4路傳感器，通過編寫的LabVIEW軟件對信號進行采集。

圖4 傳感器安放位置外觀

選取4棧處，即蓄電池安放處進行結(jié)構(gòu)損傷分析，在4棧結(jié)構(gòu)損傷處的兩側(cè)安放兩路加速度傳感器A與B，并在其對稱位置無損處安放另外兩路加速度傳感器C與D，傳感器安放位置如圖4所示，A與C結(jié)構(gòu)對稱，B與D結(jié)構(gòu)對稱。其傳感器編號與安放位置見表1，安放好傳感器后，對1棧螺栓后橫梁中心施加振動信號，在此位置上進行3次振動激勵和信號采集。

表1 傳感器編號與安放位置

3 試驗結(jié)果

通過上述試驗方法，給予中心橫梁處一個振動沖擊信號，利用安置于“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器架構(gòu)上的4路加速度傳感器采集振動響應(yīng)信號，利用NI數(shù)據(jù)采集卡采集信號，采樣頻率為500 kHz，再將采集的數(shù)據(jù)傳輸至電腦，利用LabVIEW上位機軟件實現(xiàn)波形的存儲。圖5為3次沖擊試驗中的某次波形圖，其中損傷A,B處為Sensor-01與Sensor-02信號，無損傷C,D處為Sensor-03與Sensor-04信號。

圖5 4路振動響應(yīng)信號

由于采樣頻率設(shè)置較高，所以采樣點數(shù)量較大，為方便圖5中只顯示有效信號，從波形圖中可發(fā)現(xiàn)，采集的振動響應(yīng)信號噪聲信號很小，對后期的信號處理十分有利。根據(jù)上文中各傳感器的對應(yīng)關(guān)系可知,Sensor-01傳感器與Sensor-03傳感器對應(yīng)，Sensor-02傳感器與Sensor-04傳感器對應(yīng)，其中Sensor-01與Sensor-02處為損傷部位。

對4路振動響應(yīng)信號繪制頻譜圖,如圖6所示。

對4路波形進行小波分析，采用離散小波變換，選取db4小波基進行9層分解，根據(jù)頻譜圖的分析，只保留05 kHz區(qū)域的子帶信號。圖7,8分別為A點和C點處小波子帶重構(gòu)信號波形與頻譜。根據(jù)頻譜圖特性，只保留a9,d9,d8,d7,d6部分。

通過圖7，8可以發(fā)現(xiàn)，小波分析能夠?qū)φ駝禹憫?yīng)信號中疊加的模態(tài)信息進行分離，使分離的模態(tài)信息分布在不同的頻率帶上。從圖中可以發(fā)現(xiàn)各個子頻帶上具有明顯的差異。同理，小波包變換選用db4作為小波基，熵的類型為shannon。

圖7 A點小波子帶重構(gòu)信號波形與頻譜

圖8 C點小波子帶重構(gòu)信號波形與頻譜

4 試驗結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗結(jié)果中小波分解后的結(jié)構(gòu)，將各個子頻帶的重構(gòu)信號代入式(3)中，求出能量值后代入式(6)得到相對能量值，最后通過式(8)求得相對能量曲率。A，B，C，D 4點處的能量曲率差如圖9所示。

圖9 各傳感器的能量曲率差

試驗中，C,D兩點作為無損參照部分，其相對曲率差為0，故不在圖中進行顯示。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，A點與C點間的曲率差異明顯，但是B點與D點的相對能量曲率差較小，不適合判別，分析認為由于損傷處結(jié)構(gòu)存在差異，所以B點與D點處相對能量曲率不太明顯。

同理，將小波包變換后的子代信號代入式(5)得到各個頻帶的能量。代入式(7)得到相對能量，從而得到相對能量曲率差,如圖10所示。

圖10 各傳感器的相對能量曲率差

根據(jù)圖9,10的結(jié)果，通過式(9)對結(jié)果進行疊加，當(dāng)K值小于0時，則認為其部位處于損傷區(qū)域，否則判別為無損區(qū)域。

5 結(jié)語

(1)定義的聯(lián)合損傷指標(biāo)能夠?qū)p傷結(jié)構(gòu)與無損結(jié)構(gòu)進行區(qū)分，從而減少了單獨判斷的誤差。

(2)利用聯(lián)合損傷指標(biāo)能夠針對載人潛水器等復(fù)雜深海運載裝備進行損傷檢測，方法簡單，效果好。

(3)利用聯(lián)合損傷指標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)對載人潛水器甲板作業(yè)時的帶載檢測，有良好的應(yīng)用前景。