基于壓電傳感器的復(fù)合材料沖擊損傷定位監(jiān)測(cè)研究

摘要：沖擊損傷影響著復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)安全，因此開展基于復(fù)合材料的沖擊損傷定位監(jiān)測(cè)研究有著重要意義。本文將壓電傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)用于復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)。利用基于信號(hào)包絡(luò)的能量損傷指數(shù)算法結(jié)合損傷概率成像進(jìn)行損傷定位技術(shù)，開展復(fù)合材料加筋板沖擊試驗(yàn)的損傷定位研究。研究結(jié)果表明，能量損傷指數(shù)結(jié)合損傷概率成像方法對(duì)復(fù)合材料加筋板沖擊位置的定位誤差小于20mm，滿足實(shí)際工程需求。

關(guān)鍵詞：壓電傳感器；復(fù)合材料；沖擊定位；損傷概率成像；健康監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：V25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.11.009

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以承載能力強(qiáng)、重量輕、成形加工容易等特點(diǎn)在飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在服役過程中的各類沖擊事件可能導(dǎo)致基體開裂、纖維斷裂、分層、脫黏[1]等損傷，相比于金屬結(jié)構(gòu)的損傷，復(fù)合材料的損傷更具有隱蔽性，難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。這些損傷會(huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴(yán)重影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全。及時(shí)獲知損傷位置，避免因飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)未知損傷造成的結(jié)構(gòu)性能下降甚至完全失效，對(duì)飛機(jī)的正常服役和運(yùn)行有著極其重要的意義。

基于壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是獲得損傷位置信息的有效方法。該方法是以鋯鈦酸鉛（PZT）壓電傳感器作為傳感裝置，通過在結(jié)構(gòu)中激勵(lì)和接收蘭姆（Lamb）波評(píng)估結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的過程。壓電傳感器已被廣泛用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[2-7]。

基于壓電傳感器的損傷定位是指利用壓電傳感器陣列測(cè)量Lamb波，通過波信號(hào)損傷特征提取，結(jié)合損傷定位方法進(jìn)行損傷位置判定的過程。目前國(guó)內(nèi)外已發(fā)展出多種損傷定位方法，根據(jù)定位原理不同，常見的損傷定位方法有延遲累加（累乘）法、稀疏重建定位法、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。其中，延遲累加（累乘）法是利用多條掃查路徑損傷信號(hào)的傳播時(shí)間和傳播速度信息計(jì)算損傷點(diǎn)到各個(gè)傳感器的距離，最終解算出損傷點(diǎn)的實(shí)際位置，該方法需要精確地獲得Lamb波的傳播速度和傳播時(shí)間等參數(shù)信息[8]，當(dāng)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時(shí)，其纖維鋪層方式引起的各向異性嚴(yán)重影響波速計(jì)算，此外復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中常見的筋條、復(fù)雜邊界等因素會(huì)使得Lamb波損傷信號(hào)中混疊反射、散射等成分，使波的傳播時(shí)間難以準(zhǔn)確計(jì)算；稀疏重建定位法是將檢測(cè)區(qū)域網(wǎng)格化，利用損傷模型結(jié)合信號(hào)掃查路徑構(gòu)建每個(gè)網(wǎng)格的損傷信號(hào)，將損傷信號(hào)提取形成稀疏重建問題的“損傷字典庫(kù)”，再利用實(shí)際測(cè)量的損傷信號(hào)進(jìn)行系數(shù)匹配重建，獲取損傷所在網(wǎng)格位置，該方法需要提前構(gòu)建損傷模型數(shù)據(jù)庫(kù)[9-10]，需要提前預(yù)知監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷信號(hào)模式，這在工程中較為困難；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行多個(gè)不同損傷位置的樣本訓(xùn)練學(xué)習(xí)[11-12]，通過訓(xùn)練的模型對(duì)新的損傷位置進(jìn)行判定，需要大量的損傷數(shù)據(jù)樣本作為模型訓(xùn)練的輸入，損傷樣本的引入將使得復(fù)材結(jié)構(gòu)失去承載能力。

相比之下，以損傷概率成像為基礎(chǔ)的損傷定位方法無須波速、傳播時(shí)間等準(zhǔn)確的Lamb波信號(hào)特征，也無須損傷模式和損傷樣本等先決條件，因此，基于損傷概率成像的復(fù)合材料損傷定位方法更具有便捷性和實(shí)用性，也更適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的定位評(píng)估。

本文將壓電傳感器監(jiān)測(cè)引入復(fù)合材料加筋壁板沖擊試驗(yàn)，通過壓電傳感器的信號(hào)特征結(jié)合損傷概率成像技術(shù)研究沖擊損傷的定位評(píng)估方法。

1基于壓電傳感器的復(fù)合材料沖擊損傷定位監(jiān)測(cè)方法

1.1Lamb波損傷指數(shù)

基于壓電傳感器的復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)方法分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。本文研究的為主動(dòng)式監(jiān)測(cè)，即以某個(gè)壓電傳感器作為激勵(lì)源，在結(jié)構(gòu)中激發(fā)Lamb波，由其他壓電傳感器接收信號(hào)，根據(jù)Lamb波信號(hào)的前后變化特點(diǎn)進(jìn)行損傷評(píng)估。激勵(lì)信號(hào)采用漢明（Hanming）加窗后的五波峰正弦信號(hào)，其波形如圖1所示。

傳感器激發(fā)的Lamb波在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的傳播過程中，遇到結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，通常會(huì)在損傷位置產(chǎn)生散射信號(hào)，兩次Lamb波信號(hào)的差異反映出該段時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)變化情況。在理想情況下，Lamb波信號(hào)的差異可以以幅值、傳播時(shí)間、頻率和相位等作為參數(shù)進(jìn)行分析，但在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)中，因Lamb波信號(hào)通常夾雜了大量邊界反射、散射等成分，嚴(yán)重影響了幅值、傳播時(shí)間、頻率和相位等相關(guān)參數(shù)，使得信號(hào)分析較為困難，相比之下，從能量角度通過Lamb波信號(hào)進(jìn)行處理，得到損傷指數(shù)來表征結(jié)構(gòu)損傷有更高準(zhǔn)確性和可靠性，因此本文將利用損傷指數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行表征，損傷指數(shù)定義見式（1）

式中，B和D分別為基準(zhǔn)信號(hào)和當(dāng)前信號(hào)，t1和t2為L(zhǎng)amb波起始時(shí)間和截止時(shí)間。因頻散效應(yīng)導(dǎo)致波形發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，通常會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而導(dǎo)致波形復(fù)雜且難以直接分析。

為了降低信號(hào)的分析難度，提高信號(hào)辨識(shí)度，本文將提取信號(hào)的包絡(luò)線替代原始信號(hào)進(jìn)行分析，包絡(luò)線的提取通過式（2）實(shí)現(xiàn)

式中，x（t）為實(shí)測(cè)信號(hào)，H[x（t）]為x（t）的希爾伯特變換，其計(jì)算方法見式（3）

1.2損傷概率成像定位方法

損傷概率成像定位算法是近些年發(fā)展的直接定位方法，通過計(jì)算損傷前后的掃查路徑損傷指數(shù)以及與距離相關(guān)的權(quán)重系數(shù)獲得損傷位置圖，不需要測(cè)量波速及傳播時(shí)間，也不需要前期損傷樣本數(shù)據(jù)作為參考，更具有直接性，本文將以損傷概率成像定位算法研究展開沖擊損傷監(jiān)測(cè)研究。

損傷概率成像定位算法的基本思想是將監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行均勻劃分。各掃查路徑的損傷指數(shù)對(duì)每個(gè)網(wǎng)格的像素均有一定影響概率，且影響程度隨著信號(hào)傳播距離的大小而減弱。因而在一條路徑上以激勵(lì)和接收傳感器為焦點(diǎn)的橢圓上，損傷影響概率是相同的。對(duì)所有Lamb波激勵(lì)-傳感掃查路徑進(jìn)行損傷因子像素疊加，像素最大的點(diǎn)即為最可能的損傷點(diǎn)。對(duì)于共含有N條激勵(lì)-傳感路徑的監(jiān)測(cè)區(qū)域，在監(jiān)測(cè)區(qū)域建立平面坐標(biāo)系，對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)都賦予坐標(biāo)，則對(duì)于像素點(diǎn)（xy）的損傷存在概率為

式中，Ri（x，y）為相對(duì)距離，Wi[Ri（x，y）]為權(quán)重系數(shù)，Di是第i條路徑激勵(lì)器與傳感器之間的距離，Da，i（x，y）、Ds，i（x，y）分別為像素點(diǎn)（x，y）到第i條路徑激勵(lì)器a和傳感器s之間的距離，如圖2所示。損傷概率成像方法的定位精度依賴于權(quán)重分布函數(shù)的選擇，式（6）所確定的權(quán)重函數(shù)與相對(duì)距離Ri呈線性衰減的橢圓分布，β為權(quán)重參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，本文中β取值為0.5。

本文將在復(fù)合材料加筋壁板中開展落錘沖擊試驗(yàn)，以落錘沖擊引入損傷。通過壓電信號(hào)的損傷指數(shù)結(jié)合損傷概率算法進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊損傷定位監(jiān)測(cè)研究。

2復(fù)合材料加筋板沖擊試驗(yàn)

本文通過復(fù)合材料加筋板的沖擊試驗(yàn)展開損傷定位監(jiān)測(cè)研究。試驗(yàn)件為T300復(fù)合材料加筋板，壁板尺寸為560mm×360mm×3mm，壁板兩端各設(shè)有80mm寬的夾持段，夾持段不含筋條。中間400mm一段為加筋區(qū)域，其上共布置三條T形加強(qiáng)筋，加筋區(qū)尺寸如圖3所示。

在復(fù)合材料加筋板上考核區(qū)域共對(duì)稱布置12個(gè)壓電傳感器，編號(hào)為1～12，如圖4所示。其中沿T形加筋方向（橫向）傳感器間距為120mm，跨筋方向（縱向）傳感器間距為100mm。

采集設(shè)備為南京航空航天大學(xué)研制的多通道壓電掃查系統(tǒng)。將縱橫相鄰的4個(gè)傳感器組成一個(gè)矩形監(jiān)測(cè)區(qū)域，則共有6個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域。每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)路徑，整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)共設(shè)置36條掃查路徑，掃查路徑配置見表1，表中掃查路徑“1-2”表示1號(hào)傳感器激勵(lì)，2號(hào)傳感器接收。各路徑激勵(lì)頻率為110～130kHz。

沖擊加載采用落錘式?jīng)_擊裝置，沖擊前調(diào)整落錘的高度和重量，使落錘后的沖擊能量控制在25J左右，沖擊試驗(yàn)裝置如圖5所示，沖擊裝置底部裝有測(cè)速裝置，根據(jù)落錘通過底部的速度可以計(jì)算出實(shí)際作用于復(fù)合材料板的真實(shí)沖擊能量。試驗(yàn)開始時(shí)采集一組壓電信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，每次沖擊后，采集壓電信號(hào)作為損傷信號(hào)。

第一次沖擊在傳感器1、2、5、6所圍的矩形區(qū)域進(jìn)行，沖擊能量為24.7J，沖擊前后，測(cè)量的壓電Lamb波信號(hào)發(fā)生了明顯變化，圖6為路徑1-6的時(shí)域波形圖。由圖6可以看出，0.4～1ms之間的波為5波峰直達(dá)波，沖擊前直達(dá)波后，直達(dá)波發(fā)生了明顯的差異，沖擊后的直達(dá)波前半段（0.7ms前）與沖擊前信號(hào)波形幾乎一致，但過了0.7ms后，沖擊后的波形出現(xiàn)了幅值衰減，1ms后，波形出現(xiàn)了明顯的幅值和相位差異。這說明在直達(dá)波傳播過程中，受到?jīng)_擊點(diǎn)的影響，復(fù)合材料壁板出現(xiàn)了一定程度的損傷現(xiàn)象，并且可以推斷出，損傷位置在傳感器1-6的連線處不遠(yuǎn)。

為了充分對(duì)比傳感器所圍矩形區(qū)域內(nèi)的各條路徑信號(hào)差異程度，對(duì)各條路徑做損傷指數(shù)計(jì)算，圖7為損傷指數(shù)柱狀圖。由圖7可知，最大損傷指數(shù)出現(xiàn)在路徑1-6，最大指數(shù)值為0.054，其余路徑損傷指數(shù)相差不大，最小損傷指數(shù)出現(xiàn)在路徑5-6，最小指數(shù)值為0.021。相比較而言，損傷最可能出現(xiàn)在路徑1-6連線附近。

采用損傷概率成像方法對(duì)沖擊區(qū)域進(jìn)行損傷定位，定位結(jié)果如圖8所示，圖中綠色圓圈和藍(lán)色十字分別代表實(shí)際沖擊位置和損傷監(jiān)測(cè)定位出的沖擊位置。成像結(jié)果以歸一化像素呈現(xiàn)，深紅色區(qū)域像素值高，表示最可能的損傷區(qū)域?？梢钥闯?，基于損傷概率成像定位的損傷位置與實(shí)際沖擊點(diǎn)位置較為接近，誤差小于16mm。

本文試驗(yàn)共進(jìn)行了5次沖擊，其他4個(gè)區(qū)域進(jìn)行沖擊的損傷概率成像定位結(jié)果如圖9～圖12所示?？梢钥闯觯?次沖擊的損傷定位結(jié)果與實(shí)際沖擊位置比較接近，紅色區(qū)域明顯集中于實(shí)際沖擊位置。

表2所列為5次沖擊的損傷結(jié)果?？梢钥闯?，5次沖擊后均出現(xiàn)了分層損傷現(xiàn)象，最大分層面積為243mm2；最小分層面積為135mm2。5次損傷定位結(jié)果可知，定位結(jié)果誤差均小于20mm，最大誤差為17.7mm，出現(xiàn)在沖擊點(diǎn)2；最小定位誤差為12.3mm，出現(xiàn)沖擊點(diǎn)3。

鑒于復(fù)合材料的各向異性和加筋等結(jié)構(gòu)影響，沖擊分層區(qū)域的中心點(diǎn)并不總在實(shí)際沖擊位置，而可能呈現(xiàn)一定的偏移，在此意義上，損傷定位誤差是滿足工程需要的。

復(fù)合材料加筋板沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，基于壓電傳感器的健康監(jiān)測(cè)可以有效應(yīng)用于復(fù)合材料沖擊損傷定位中，定位結(jié)果誤差小于20mm。

3結(jié)論

本文討論了基于壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并通過損傷指數(shù)以及損傷概率成像定位算法描述了基于壓電傳感器的監(jiān)測(cè)在復(fù)合材料沖擊損傷定位中的具體方法，最后通過復(fù)合材料加筋板進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的損傷定位驗(yàn)證?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

（1）基于壓電傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可以有效應(yīng)用于復(fù)合材料沖擊損傷定位監(jiān)測(cè)。

（2）基于損傷概率成像定位方法結(jié)合能量損傷指數(shù)在復(fù)合材料加筋板沖擊試驗(yàn)中定位誤差小于20mm。

（3）本文方法可以用到復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)中，實(shí)現(xiàn)服役結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)。

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