陸 觀,徐一鳴,邱自學(xué),梁大開(kāi),袁 江

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019;2.南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016;3.江蘇華宇印涂設(shè)備集團(tuán)有限公司,江蘇 南通 226000)

?

基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的變截面復(fù)合材料低速?zèng)_擊定位*

陸 觀1,3,徐一鳴1*,邱自學(xué)1,梁大開(kāi)2,袁 江1

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南通 226019;2.南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210016;3.江蘇華宇印涂設(shè)備集團(tuán)有限公司,江蘇 南通 226000)

為了檢測(cè)復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊內(nèi)部損傷位置,構(gòu)建了基于光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的變截面復(fù)合材料板低速?zèng)_擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用可檢測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)的光纖光柵傳感器,在恒溫下監(jiān)測(cè)并分析了變截面復(fù)合材料板的沖擊響應(yīng)信號(hào),利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法提取沖擊信號(hào)頻譜特征,通過(guò)自回歸模型將頻譜特征量建模,最后利用樣本信號(hào)與待測(cè)信號(hào)之間的馬氏距離判定沖擊信號(hào)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和自回歸模型的變截面復(fù)合材料板低速?zèng)_擊定位方法可行且最大相對(duì)誤差為4.27%。

光纖光柵傳感器;低速?zèng)_擊定位;經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解;自回歸模型;變截面復(fù)合材料

復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的使用越來(lái)越廣泛,而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及維護(hù)也成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)[1-3]。由于復(fù)合材料受低速?zèng)_擊后易產(chǎn)生外表面不易察覺(jué)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷,因此監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)信號(hào)十分重要。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)沖擊位置能為結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警提供一定的依據(jù)并極大減少成本投入[4-5]。

目前應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感器種類很多,光纖Bragg光柵FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器以其體積小、質(zhì)量輕、抗干擾、耐腐蝕、絕緣好、可分布式等優(yōu)點(diǎn)得到了較為廣泛的應(yīng)用[6-7]。Jang等研究者采用高速解調(diào)儀獲取沖擊響應(yīng)信號(hào),并結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提出了快速?zèng)_擊定位算法[8]。Do等采用有限元方法建立復(fù)合材料板多模態(tài)振動(dòng)模型,通過(guò)埋入式FBG傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變,實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)損傷的有效監(jiān)控[9]。Webb等采用FBG傳感器進(jìn)行了復(fù)合材料層合板動(dòng)態(tài)環(huán)境下的全頻譜測(cè)量,通過(guò)薄板在振動(dòng)、沖擊以及損傷時(shí)的頻譜畸變分析實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[10]。但是目前的相關(guān)研究較少涉及到變截面復(fù)合材料的沖擊監(jiān)測(cè)。

變截面復(fù)合材料板比一般復(fù)合材料板的強(qiáng)度有所提高,但是動(dòng)態(tài)載荷下的定位分析更為復(fù)雜。因此,進(jìn)行變截面復(fù)合材料板的沖擊定位研究,不僅能為其內(nèi)部損傷理論和容限設(shè)計(jì)的發(fā)展提供依據(jù),而且能進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)應(yīng)用水平。本文基于光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò),利用沖擊信號(hào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及自回歸模型方法,進(jìn)行了變截面復(fù)合材料板的沖擊定位研究。

1 沖擊信號(hào)定位方法

變截面復(fù)合材料層合板沖擊響應(yīng)為非平穩(wěn)信號(hào),且受到結(jié)構(gòu)振動(dòng)及其他擾動(dòng)信號(hào)干擾。黃變換中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD(Empirical Model Decomposition)方法可將復(fù)雜非平穩(wěn)性信號(hào)分解成固有模態(tài)函數(shù)IMF(Intrinsic Mode Function)分量和[11]。自回歸AR(Auto Regressive)模型對(duì)條件的變化比較敏感,因此適用于復(fù)合材料層合板的沖擊檢測(cè)[12]。EMD分解所獲特征量無(wú)需再處理可直接用于建立AR模型。提取出的沖擊信號(hào)樣板向量,可以用Mallalanobis距離(馬氏距離)識(shí)別結(jié)構(gòu)沖擊信號(hào)的位置。

1.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

EMD分解的主要作用是去除信號(hào)疊加波且讓數(shù)據(jù)波形更對(duì)稱。原始信號(hào)X(t)可以分解成:

(1)

EMD篩選過(guò)程的終止條件為:cn(t)或者rn(t)小于預(yù)定誤差;或rn(t)為一個(gè)單調(diào)函數(shù)。其中rn表明信號(hào)趨勢(shì),cn(t)為分解量,各階分量近似正交、具有自適應(yīng)性。

1.2 AR模型參數(shù)的確定和估計(jì)法

建立AR模型的關(guān)鍵問(wèn)題在于估計(jì)模型參數(shù),一般利用最小二乘法或自回歸白噪聲估計(jì)方法[13]。

AR模型定義是:任一時(shí)刻k上的數(shù)值xk可表示為m個(gè)過(guò)去時(shí)刻的數(shù)值線性組合以及k時(shí)刻白噪聲之和,即:

xk=φ1xk-1+φ2xk-2+…+φmxk-m+ak

(2)

(3)

(4)

1.3 沖擊定位算法步驟

針對(duì)變截面復(fù)合材料層合板的沖擊定位算法具體步驟如下:

①在L個(gè)沖擊位置各采集N次數(shù)據(jù),作為沖擊樣本信號(hào)。

②對(duì)沖擊信號(hào)進(jìn)行EMD分解。假設(shè)某沖擊信號(hào)IMF分解量個(gè)數(shù)為n,且為最大,則所有沖擊信號(hào)的IMF分解量均以零分量補(bǔ)足為n個(gè)。

③對(duì)每個(gè)IMF分解量構(gòu)建AR模型,確定模型階數(shù)m以及自回歸參數(shù)φik(k=1,2,…,m),φik為第i個(gè)IMF分解量的第k個(gè)自回歸參數(shù)。

(5)

其中:j=1,2,…,L分別表示L個(gè)沖擊點(diǎn)位置。

⑤采集待定位沖擊信號(hào)x(t),進(jìn)行EMD分解并構(gòu)建AR模型,求出自回歸參數(shù)φx,ik(k=1,2,…,m),i表示第i個(gè)分解量,k表示該分解量AR模型的第k個(gè)參數(shù)估計(jì)值。建立x(t)的第i個(gè)分解量特征值:

Ax,i=[φx,i1,φx,i2,…,φx,im]

(6)

d(xi,xj)=[(xi-xj)TST(xi-xj)]1/2

(7)

其中,S為樣本沖擊信號(hào)的協(xié)方差矩陣[14]:

(8)

⑦將步驟2中IMF分解量的互相關(guān)系數(shù)作為n個(gè)馬氏距離數(shù)值的權(quán)重系數(shù)γ1,γ2,…γn?；ハ嚓P(guān)系數(shù)計(jì)算公式如下:

(9)

⑧計(jì)算L個(gè)位置的綜合馬氏距離:

dj=γ1×dj1+γ2×dj2+…+γn×djn

(10)

式中:j=1,2,…L,n為分解量階數(shù)。

⑨根據(jù)馬氏距離定義比較d1、d2、…、dL間數(shù)值大小,取最小者為當(dāng)前沖擊位置。

2 沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖1所示為沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng),由沖擊錘、試件、6個(gè)FBG傳感器、SI425型光纖光柵解調(diào)儀(頻率250 Hz,分辨率1 pm)、計(jì)算機(jī)組成,解調(diào)儀將FBG傳感器采集到的沖擊信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

圖1 沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖2 傳感器排布方案與沖擊位置

實(shí)驗(yàn)所用復(fù)合材料板尺寸為240 mm×200 mm,均勻劃分為4行6列,復(fù)合材料為T(mén)300/QY8911,最薄處為45 mm,最厚處為47.5 mm。根據(jù)變截面復(fù)合材料試件的特性,傳感器排布方案與沖擊位置如圖2所示,波長(zhǎng)與位置見(jiàn)表1。

表1 光柵波長(zhǎng)與位置

2.2 沖擊定位分析

通過(guò)沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集24個(gè)沖擊點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào),沖擊能量為1 J,重復(fù)3次。再對(duì)任意點(diǎn)以相同能量進(jìn)行沖擊,利用復(fù)合材料沖擊定位算法進(jìn)行定位,其中L=24,N=3,將沖擊樣本信號(hào)進(jìn)行EMD分解后,得到IMF分量最大數(shù)值n=7。

采集復(fù)合材料層合板的待判位分析沖擊信號(hào)x(t)如圖3所示,進(jìn)行EMD分解,其中第3階分解量頻譜如圖4所示。將頻譜量構(gòu)建AR模型,并建立x(t)的分解量特征值:Ax,i=[φx,i1,φx,i2,…,φx,im]。

圖3 沖擊碳纖維層合板(60 mm×40 mm)傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)

圖4 信號(hào)EMD分解第3階頻譜圖

求出樣本信號(hào)與待測(cè)信號(hào)分解量特征值的綜合馬氏距離如表2所示,其中加粗?jǐn)?shù)據(jù)為同組數(shù)據(jù)中的最小者,可見(jiàn)基于本文算法的沖擊定位結(jié)果準(zhǔn)確。

表2 綜合馬氏距離計(jì)算結(jié)果

根據(jù)對(duì)稱性,選擇了復(fù)合材料板上關(guān)鍵的15個(gè)沖擊點(diǎn)進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn),得出判定結(jié)果如圖5所示。

圖5 定位結(jié)果示意圖

其中最大定位誤差為9.37 mm在沖擊位置(220,80)、最小定位誤差為4.61 mm在沖擊位置(100,120)。根據(jù)式(11)可以由判位結(jié)果計(jì)算出沖擊信號(hào)定位相對(duì)誤差為2.1%～4.27%,符合工程應(yīng)用范圍。

(11)

3 結(jié)論

①提出采用光纖傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)變截面復(fù)合材料板低速?zèng)_擊載荷位置的方法,利用光纖Bragg光柵的應(yīng)變監(jiān)測(cè)特性,分析并推導(dǎo)了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和自回歸模型的沖擊信號(hào)定位方法。

②基于光纖傳感器、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及自回歸模型的沖擊信號(hào)定位方法,搭建變截面復(fù)合材料板低速?zèng)_擊信號(hào)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)解決了復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊監(jiān)測(cè)問(wèn)題,且不易受環(huán)境干擾。

③通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,上述低速?zèng)_擊定位系統(tǒng)最大相對(duì)誤差為4.27%,可以滿足低速?zèng)_擊載荷位置判別的工程應(yīng)用需求。

[1] Moura M F,Marques A T. Prediction of Low Velocity Impact Damage in Carbon-Epoxy Laminates[J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2002,33(3):361-368.

[2]Ko J M,Ni Y Q. Technology Developments in Structural Health Monitoring of Large-Scale Bridges[J]. Engineering Structures,2005,27(12):1715-1725.

[3]常新龍,何相勇,周家丹,等. FBG傳感器在復(fù)合材料固化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(5):748-752.

[4]Hu Z Y,Hu Y F. Dynamic Monitoring the Strain of Composites due to High Speed Collisions Using Fiber Bragg Grating Network[J]. Mechanika,2012(1):35-39.

[5]Takeda S,Aoki Y,Nagao Y. Damage Monitoring of CFRP Stiffened Panels under Compressive Load Using FBG Sensors[J]. Composite Structures,2012,94(3):813-819.

[6]Jang B W,Park S O,Lee Y G,et al. Detection of Impact Damage in Composite Structures Using High Speed FBG Interrogator[J]. Advanced Composite Material,2012,21(1):29-44.

[7]張東生,李微,郭丹,等. 基于光纖光柵振動(dòng)傳感器的橋梁索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007,20(12):2720-2723.

[8]Jang B W,Lee Y G,Kim J H,et al. Real-Time Impact Identification Algorithm for Composite Structures Using Fiber Bragg Grating Sensors[J]. Structural Control and Health Monitoring,2012,19(7):580-591.

[9]Do R,Haynes C,Todd M,et al. Efficient Detection Methods on a Composite Plate with Interior Embedded Fiber Optic Sensors via Impact Test[C]//9th International Workshop on Structural Health Monitoring. Stanford,USA,2013:2089-2096.

[10]Webb S,Oman K,Peters K,et al. Localized Measurements of Composite Dynamic Response for Health Monitoring[C]//Conference on Smart Sensor Phenomena,Technology,Networks,and Systems Integration. San Diego,USA,2014,v9062.

[11]Qiuhua D,Shunian Y. Application of the EMD Method in the Vibration Analysis of Ball Bearings[J]. Mechanical Systems and Signal Professing,2007,21(6):2634-2644.

[12]Laliberte J F,Poon C. Post-Impact Fatigue Damage Growth in Fiber-Metal Laminates[J]. International Journal of Fatigue,2002,24(2-4):249-256.

[13]李序穎,顧嵐. 空間自回歸模型及其估計(jì)[J]. 統(tǒng)計(jì)研究,2004(6):48-51.

[14]張子杰,張暉,高淑榮. 平穩(wěn)自回歸模型的系數(shù)估計(jì)與應(yīng)用[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(15):135-137,152.

陸觀(1983-),女,江蘇南通人,博士,南通大學(xué)副教授,主要從事先進(jìn)傳感技術(shù)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等方面的研究,luguan@ntu.edu.cn;

徐一鳴(1981-),男,江蘇南通人,博士,南通大學(xué)副教授,主要從事數(shù)字圖像處理及先進(jìn)傳感器技術(shù)等方面的研究,yimingx@ntu.edu.cn。

TheLowVelocityImpactLocalizationBasedonOpticFiberSensingNetworkforVariedCross-SectionComposites*

LUGuan1,3,XUYiming1*,QIUZixue1,LIANGDakai2,YUANJiang1

(1.School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong Jiangsu 226019,China;2.The Aeronautic Key Lab for Smart Materials and Structures,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;3.Jiangsu Huayu printing and coating equipment Co.,Ltd,Nantong Jiangsu 226000,China)

In order to localize the impact injuries inside complex composite structure,a low velocity impact monitoring system for varied cross-section composite structure based on fiber Bragg grating(FBG)sensor network was established. The paper used FBG sensors to measure the strain field of the structure,collected and analyzed impact response signals of varied cross-section composite laminated plate under constant temperature. The spectrum signatures of impact signals were extracted by empirical mode decomposition(EMD)method and modeled by auto regressive modeling method. The Mallalanobis distance between template signals and signals to be measured was calculated to localize the impact position. The experimental results show that the proposed method is feasible for impact localization of varied cross-section composite structure and the maximum relative error is 4.27%.

optic-fiber grating sensor;low velocity impact localization;empirical mode decomposition;auto regressive;varied cross-section composite

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273024);交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014319813180);江蘇省教育廳面上項(xiàng)目(14KJB510030);江蘇省博士后科研計(jì)劃項(xiàng)目(1301016B);南通市科技應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(BK2013019);南通大學(xué)自然科學(xué)研究專項(xiàng)項(xiàng)目(13ZJ003)

2014-09-10修改日期:2014-10-26

TP212

:A

:1004-1699(2014)12-1632-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.009