沈書乾 李 偉 龍飛飛 曹書銘 蔣 鵬 郭福平 程麗華

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院茂名檢測(cè)院；3.大連民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；4.廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院）

碳纖維復(fù)合材料氣瓶（也稱CFRP氣瓶）是通過在金屬或非金屬內(nèi)膽上纏繞高強(qiáng)度碳纖維制造而成的，因具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高及抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來在石化、航天和汽車領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能差，在氣瓶的使用過程中，氣瓶瓶身受到?jīng)_擊作用后極易形成損傷。碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷形式多樣，大致分為基體開裂、分層損傷及纖維斷裂等。沖擊損傷的發(fā)生會(huì)使氣瓶的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其承載能力大幅減弱，造成嚴(yán)重的安全隱患。

聲發(fā)射技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)于常規(guī)的無損檢測(cè)來講，具有動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)［1～4］。在此，筆者基于聲發(fā)射技術(shù)，提出將聲發(fā)射信號(hào)特征提取方法應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料層合板中，實(shí)現(xiàn)CFRP氣瓶損傷的探測(cè)。

1 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)

落錘沖擊實(shí)驗(yàn)以CFRP層合板試件為研究對(duì)象，采用-15～15°碳纖維鋪層方式，纖維與承載方向垂直，試件的長(zhǎng)、寬均為120 mm，厚度為7 mm（其中碳纖維板厚4.5 mm，鋁板厚2.5 mm），共制作5塊試件。

沖擊實(shí)驗(yàn)儀器選擇CLC-A型落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，有效沖擊高度為1.5 m，層合板試件表面布置有傳感器，布點(diǎn)如圖1所示。

圖1 傳感器在層合板上的布置圖

沖擊能量選擇10、20、30、45、60 J。實(shí)驗(yàn)前，先將試件固定在沖擊夾具上，將所選取的傳感器通過耦合劑貼于試件上，并將沖頭位置對(duì)準(zhǔn)試件的沖擊點(diǎn)位置。檢查周圍環(huán)境，在確保沒有影響聲發(fā)射檢測(cè)的噪聲下，啟動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，在沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)界面中輸入沖擊能量，沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)將自動(dòng)調(diào)節(jié)落錘高度，當(dāng)落錘達(dá)到指定能量高度后釋放落錘，完成相應(yīng)的落錘沖擊實(shí)驗(yàn)。

2 CFRP層合板沖擊損傷形態(tài)結(jié)果分析

沖擊能量20、30、45 J下的試件沖擊損傷表觀形態(tài)如圖2所示，相應(yīng)的試件沖擊損傷B、C掃描圖 像如圖3、4所示。

圖2 不同沖擊能量下的試件沖擊損傷表觀形態(tài)

圖3 不同沖擊能量下的試件沖擊損傷B掃描圖像

由圖2可以看出：在20 J沖擊能量下試件無明顯損傷，30 J沖擊能量下試件出現(xiàn)明顯凹坑損傷，45 J沖擊能量下試件凹坑損傷更加明顯且凹坑深度加大。

由圖3可以看出：隨著沖擊能量的增加，試件縱向的微小形變逐漸嚴(yán)重，且3種沖擊能量下均能看出明顯的纖維斷裂損傷情況。

由圖4可以看出：20 J沖擊能量下試件面內(nèi)出現(xiàn)了小面積的損傷區(qū)域，30 J沖擊能量下試件面內(nèi)的損傷區(qū)域面積較20 J時(shí)的有所增加，45 J沖擊能量下試件出現(xiàn)大面積損傷區(qū)域并且可以明顯看到纖維斷裂損傷與分層損傷。

圖4 不同沖擊能量下的試件沖擊損傷C掃描圖像

3 CFRP層合板損傷聲發(fā)射信號(hào)特征提取

3.1 參數(shù)-時(shí)間關(guān)系圖

繪制30、60 J沖擊能量下沖擊損傷聲發(fā)射信號(hào)多種參數(shù)-時(shí)間關(guān)系圖（圖5、6）。聲發(fā)射信號(hào)幅值的變化反映了試件損傷發(fā)生的強(qiáng)弱和損傷產(chǎn)生的數(shù)量，聲發(fā)射撞擊數(shù)僅反映試件中損傷產(chǎn)生的數(shù)量，聲發(fā)射能量的變化率反映試件損傷的嚴(yán)重程度。

圖5 30 J沖擊能量下參數(shù)-時(shí)間關(guān)系圖

圖6 60 J沖擊能量下參數(shù)-時(shí)間關(guān)系圖

3.2 聲發(fā)射信號(hào)頻譜分析

首先對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換并進(jìn)行頻譜分析，找到主要頻帶的分布情況，為后續(xù)小波包分解時(shí)確定分解層數(shù)提供依據(jù)［5，6］。

經(jīng)過處理和分析大量聲發(fā)射信號(hào)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中采集到的聲發(fā)射信號(hào)波形的主要形式有單峰值突發(fā)型和多峰值突發(fā)型。其中，多峰值突發(fā)型信號(hào)極為復(fù)雜，并且不同損傷類型的聲發(fā)射信號(hào)發(fā)生次序、頻率等都是無規(guī)律且隨機(jī)的，需在單峰值突發(fā)型信號(hào)分析完成后，再分析處理解釋多峰值突發(fā)型信號(hào)。

在采集的眾多損傷聲發(fā)射單峰值突發(fā)型信號(hào)中選取了3個(gè)極具代表性的信號(hào)（A、B、C），其時(shí)域和頻域圖像如圖7所示。

圖7 信號(hào)A、B、C的時(shí)域和頻域圖像

從圖7中可以看出，信號(hào)A頻率主要集中在90～120 kHz，峰值頻率為95 kHz；信號(hào)B頻率主要集中在175～200 kHz，峰值頻率為180 kHz；信號(hào)C頻率主要集中在90～120 kHz與190～230 kHz。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料損傷信號(hào)基本特征可知，纖維斷裂信號(hào)頻率應(yīng)高于分層損傷信號(hào)頻率，因此可以判斷出信號(hào)A為分層損傷信號(hào)，信號(hào)B為纖維斷裂信號(hào)，信號(hào)C中既存在分層損傷信號(hào)又存在纖維斷裂信號(hào)。

3.3 小波包能量提取分析

3.3.1 小波基函數(shù)的選擇

對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包分解時(shí)，小波基函數(shù)的選取是非常重要的。小波基函數(shù)不是唯一的，常用的小波基函數(shù)包括Daubechies系列小波、Haar系列小波及Symlets系列小波等，選取不同的小波基函數(shù)會(huì)導(dǎo)致分解效果的不同。在選擇小波基函數(shù)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)因素：正交性、緊支性、衰減性、對(duì)稱性、正則性和消失矩階數(shù)。db小波族具有緊支性，正交性和正則性隨著序號(hào)N的增加而增加，消失矩階數(shù)為2N，因此非常適合處理突發(fā)型信號(hào)。在選擇db小波族時(shí)，需要考慮小波基形狀與待分析信號(hào)的波形是否相似且具有一定的相關(guān)性，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N=8時(shí)，db小波與所研究的信號(hào)相似，且具有良好的相關(guān)性，能夠較好地保留信號(hào)中的有效成分，剔除冗雜信息的干擾。

3.3.2 小波包分解層數(shù)的確定

當(dāng)小波包分解層數(shù)過低時(shí)，信號(hào)特征不明顯甚至?xí)宦駴]；當(dāng)分解層數(shù)過高時(shí)，會(huì)增加計(jì)算量，導(dǎo)致運(yùn)算速度變慢［7，8］。根據(jù)信號(hào)頻譜分析所得結(jié)論，當(dāng)分解層數(shù)為5時(shí)，可有效提取信號(hào)特征且計(jì)算量較少。設(shè)信號(hào)采樣頻率為2 MHz，可檢測(cè)信號(hào)頻帶0～1 MHz，根據(jù)小波包分解樹節(jié)點(diǎn)與信號(hào)子空間頻帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到小波包重構(gòu)信號(hào)分量的頻率范圍（表1）。

表1 小波包重構(gòu)信號(hào)分量的頻率范圍

3.3.3 小波包信號(hào)能量特征提取

利用小波包對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取的步驟如下：

a.將斷鉛和摩擦信號(hào)分別進(jìn)行5層小波包分解，Xij為小波包分解后的第i層第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的小波包分解系數(shù)；

b.對(duì)小波包分解系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，提取第i層中低頻到高頻信號(hào)S5j的特征，對(duì)應(yīng)總信號(hào)為S=S51+S52+…+S5j；

由3.2節(jié)的分析結(jié)果可知，信號(hào)主要頻率的最高值小于512 kHz，因此在繪制小波包能量譜時(shí)，只取小波包重構(gòu)信號(hào)分量的前16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。由圖8可知，分層損傷信號(hào)小波包能量主要分布在信號(hào)分量（5，2）和（5，3），其對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率范圍為64～96 kHz和96～128 kHz；纖維斷裂信號(hào)小波包能量主要分布在信號(hào)分量（5，5），其對(duì)應(yīng)信號(hào)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對(duì)信號(hào)類型進(jìn)行劃分。通過對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板沖擊實(shí)驗(yàn)所得信號(hào)進(jìn)行小波包能量譜分析并統(tǒng)計(jì)其規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相同類型的聲發(fā)射信號(hào)其小波包局部頻帶能量占比呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：信號(hào)分量（5，2）和（5，3）對(duì)應(yīng)頻帶64～128 kHz的小波包能量占比值大于75%，此時(shí)信號(hào)為分層信號(hào)；信號(hào)分量（5，5）、（5，6）和（5，7）對(duì)應(yīng)頻帶160～256 kHz的小波包能量占比值大于70%，此時(shí)信號(hào)為纖維斷裂信號(hào)。因此，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，可以有效提取CFRP層合板損傷聲發(fā)射信號(hào)的特征。

圖8 信號(hào)小波包能量分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

搭建CFRP層合板落錘沖擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)CFRP層合板落錘沖擊過程中產(chǎn)生的不同損傷類型的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)所得信號(hào)通過小波包分解得到信號(hào)的小波包能量譜，通過分析不同頻段能量的分布情況，可有效對(duì)不同損傷信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同損傷信號(hào)的特征提取。