復(fù)合材料層合板損傷聲發(fā)射信號特征提取方法

沈書乾,李 偉,龍飛飛,曹書銘,段志宏,程麗華

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163000;2.大連民族大學(xué),遼寧大連 116000 3.廣東石油化工學(xué)院,廣東茂名 525000 )

0 引言

碳纖維復(fù)合材料(CFRP)氣瓶是通過在金屬或非金屬內(nèi)膽上纏繞高強度碳纖維制造而成的，因具有質(zhì)量輕、強度高和抗疲勞性好等優(yōu)點，近年來在航天、石化和汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用逐漸廣泛[1]。但是其抗沖擊性能差，在使用過程中，當(dāng)氣瓶瓶身受到?jīng)_擊作用下極易造成損傷。沖擊損傷會使氣瓶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其承載能力大幅削減，造成嚴(yán)重的安全隱患。

碳纖維復(fù)合的沖擊損傷有多種形式，大致分為基體開裂、分層損傷和纖維斷裂等[2]。每一種沖擊損傷的形成對應(yīng)其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號都有明顯的特征，聲發(fā)射技術(shù)是一種動態(tài)無損檢測技術(shù)，適用于金屬和復(fù)合材料，與常規(guī)的無損檢測相比，具有動態(tài)檢驗、靈敏度高等優(yōu)點[3]，因此復(fù)合氣瓶損傷評價可采用聲發(fā)射技術(shù)[4-6]。本文針對復(fù)合材料氣瓶的不同損傷模式，制作纏繞方式和厚度尺寸與氣瓶一致的層合板，開展不同沖擊能量下的聲發(fā)射檢測試驗，期望找出信號特征與損傷類型之間的對應(yīng)關(guān)系，以解決氣瓶聲發(fā)射監(jiān)測中的信號特征識別問題。

1 試驗方法

本次試驗CFRP層合板為三層結(jié)構(gòu)，底層為鋁板，中間為平鋪碳纖維，上層采用-15°～+15°碳纖維鋪層，試件的長寬尺寸均為120 mm，厚度為7 mm(其中碳纖維中間層3.0 mm，上層1.5 mm，鋁板2.5 mm)，試樣個數(shù)為5塊。試件如圖1所示。

圖1 CFRP層合板

試驗采用CLC-A落錘式?jīng)_擊試驗機，有效沖擊高度為1.5 m。層合板上布置2個寬帶WD型傳感器，位置見圖2。采集系統(tǒng)使用PCIE高速聲發(fā)射采集卡，帶通范圍為10～1 MHz，采樣頻率2M，采樣長度2 k，前置放大器增益設(shè)置為40 dB。

圖2 試驗層合板傳感器布置

按ASTM D6264/D6264M-12確定試驗沖擊能量為10,20,30,45,60 J。試驗前，先將試件固定在沖擊夾具上，傳感器通過耦合劑固定于層合板上側(cè)，并將沖頭位置對準(zhǔn)試件的沖擊點位置，如圖3所示。檢查周圍環(huán)境，確保沒有影響聲發(fā)射檢測的噪聲，按設(shè)定能量啟動沖擊試驗機，完成相應(yīng)的落錘沖擊試驗,并采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

圖3 試驗現(xiàn)場

2 CFRP層合板沖擊損傷形態(tài)分析

選取20，30，45 J沖擊能量下層合板為例，損傷層合板C掃描圖如圖4所示。

圖4 不同沖擊能量下?lián)p傷層合板超聲C掃描圖像

檢查沖擊后的層合板，目視可以看出：在20 J沖擊能量下,層合板無明顯損傷;30 J沖擊能量下層合板出現(xiàn)明顯凹坑損傷;45 J沖擊能量下,層合板凹坑損傷更加明顯且凹坑深度加大。即隨著沖擊能量的增加，層合板損傷越嚴(yán)重。對比圖4中3種沖擊能量的層合板C掃描損傷形貌可以看出：在20 J沖擊能量下，層合板面內(nèi)出現(xiàn)小面積的損傷區(qū)域；30 J沖擊能量下，層合板面內(nèi)較20 J損傷區(qū)域面積有所增加；直至45 J沖擊能量下，層合板出現(xiàn)大面積損傷區(qū)域，并且可以明顯地看到纖維斷裂損傷與分層損傷出現(xiàn)。

3 CFRP層合板損傷聲發(fā)射信號特征提取

3.1 CFRP層合板沖擊損傷聲發(fā)射信號頻譜分析

為獲取不同沖擊能量時，層合板損傷過程聲發(fā)射信號分布規(guī)律，需對不同損傷類型的特征進(jìn)行提取。經(jīng)處理和分析，發(fā)現(xiàn)層合板損傷的聲發(fā)射信號波形主要為單峰值突發(fā)型和多峰值突發(fā)型，其中多峰值突發(fā)性信號極為復(fù)雜，并且不同損傷類型的聲發(fā)射信號發(fā)生次序和頻率等都是無規(guī)律且隨機的，需從單峰值信號分析獲得的結(jié)論去解釋多峰值信號，因此本次研究將分析重點放在單峰值信號。單峰值信號主要包括3種類型，如圖5所示。

(a)信號A

從圖5可以看出，信號A主要頻率集中在頻帶范圍為90～120 kHz,峰值頻率為95 kHz；信號B主要頻率集中在頻帶范圍為175～200 kHz，峰值頻率為180 kHz；信號C主要頻率集中在頻帶范圍為90～120 kHz與190～230 kHz。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料損傷信號基本特征[1-4]可知，纖維斷裂信號頻率應(yīng)高于分層損傷信號頻率，并結(jié)合不同沖擊能量下A,B,C類信號的分布規(guī)律(B，C類信號在低沖擊能量下出現(xiàn)概率低)，同時輔以超聲B掃描結(jié)果(見圖6)，可以判斷出，信號A為分層損傷信號；信號B為纖維斷裂信號；信號C為分層損傷與纖維斷裂融合信號。

圖6 不同沖擊能量下?lián)p傷層合板超聲B掃描圖像

3.2 CFRP層合板沖擊損傷聲發(fā)射信號小波包能量提取

復(fù)合材料不同損傷模式對應(yīng)信號頻譜存在一一對應(yīng)的關(guān)系，材料出現(xiàn)損傷時，會對各頻帶內(nèi)的信號產(chǎn)生較大影響。由于不同損傷信號頻率分布不同，往往會對某些頻率成分起到抑制作用，而對另外一些頻率成分起到增強作用。因此對不同類型的損傷，在相同頻帶內(nèi)信號的能量分布有著較大的差別。

3.2.1 小波基函數(shù)的選擇

db小波族具有緊支性，正交性并且正則性隨著序號N的增加為增加，消失矩為2N，非常適合處理突變型號[7]。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N取8時，該小波與層合板損傷的聲發(fā)射信號相似，具有良好的相關(guān)性，如圖7所示，因此選擇db8小波作為小波基，能夠較好地保留信號中的有效成分，剔除了冗雜信息的干擾。

圖7 信號部分域波形與db波形

3.2.2 小波包分解層數(shù)的確定

根據(jù)第3.1節(jié)頻譜分析所得結(jié)論，當(dāng)分解層數(shù)為5層時，可有效提取信號特征且計算量小。得到了(5,0)，(5,1)，…，(5,31)共32個小波包重構(gòu)信號分量。信號采樣率為2 MHz，可檢測信號頻帶0～1 MHz，根據(jù)小波包分解樹節(jié)點與信號子空間頻帶的對應(yīng)關(guān)系，得到重構(gòu)信號小波包的頻率范圍[8-12]，由于所得分解樹節(jié)點與信號子空間頻帶并不是由小到大順序排列的，因此對其進(jìn)行有序排列，排序后見表1所示。

表1 小波包分量重構(gòu)信號的頻譜范圍

3.2.3 小波包信號能量特征提取

由頻譜分析可知，信號主要頻率最高分布小于512 kHz，因此在繪制小波包能量譜時，只取信號的前16個頻段進(jìn)行分析，經(jīng)過小波包變換后各頻帶上的能量分布如圖8所示。

(a)分層損傷小波包能譜圖

由圖中特征提取能量系數(shù)直方圖可知，分層損傷信號小波包能量主要分布在(5,2)和(5,3)，其對應(yīng)的信號頻率范圍分別為64～96 kHz和96～128 kHz，纖維斷裂信號小波包能量主要分布在(5,5)頻段，其對應(yīng)信號頻率范圍為160～192 kHz，因此利用小波包局部頻段能量占比值的范圍，可對信號類型進(jìn)行劃分。

對不同沖擊能量下獲得聲發(fā)射信號進(jìn)行小波包能量譜分析，發(fā)現(xiàn)相同類型的聲發(fā)射信號其小波包局部頻帶能量占比呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。當(dāng)信號(5,2)和(5,3)對應(yīng)頻帶64～128 kHz的小波包能量占比值大于75%，此時該信號為分層信號；當(dāng)信號(5,5)，(5,6)和(5.7)對應(yīng)頻帶160～256 kHz的小波包能量占比值大于70%，此時該信號為纖維斷裂信號。分析結(jié)果表明，利用小波包能量譜分析法能夠直觀地表現(xiàn)出各頻帶能量的變化情況，可以有效地提取CFRP層合板損傷聲發(fā)射信號的特征。

4 結(jié)語

通過CFRP層合板落錘沖擊損傷試驗，并在對試驗所得信號進(jìn)行頻譜分析基礎(chǔ)上，獲得典型聲發(fā)射信號小波包能量譜分布。通過分析不同頻段能量的分布情況，實現(xiàn)對不同損傷程度的聲發(fā)射信號進(jìn)行區(qū)分，并得到對損傷程度進(jìn)行區(qū)分的典型特征。