張 華, 張倩昀, 寧 寧

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所, 西安 710065；2.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院, 西安 710077)

復(fù)合材料盒段結(jié)構(gòu)是機(jī)翼的典型結(jié)構(gòu)形式,大面積的盒段結(jié)構(gòu)在日常使用和維護(hù)過程中容易受到?jīng)_擊，產(chǎn)生這些沖擊的原因有維護(hù)過程中工具掉落、冰雹的撞擊、起降時(shí)的碎石沖擊等。

常規(guī)基于壓電傳感器和蘭姆波的健康監(jiān)測(cè)方法主要有：損傷因子方法和損傷概率成像方法。損傷因子方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但往往無法直觀地給出損傷的具體位置信息。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在基于壓電傳感器陣列和Lamb波的損傷成像方法上，這些方法主要包括：延遲-累加成像方法[1]、時(shí)間反轉(zhuǎn)成像方法[2]、超聲相控陣成像方法[3]和概率成像方法[4]等。這些成像算法往往在實(shí)驗(yàn)室條件下可以獲得比較精準(zhǔn)的定位結(jié)果。由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的電壓不穩(wěn)定以及結(jié)構(gòu)中可能存在殘余應(yīng)力，就會(huì)在不同程度上影響信號(hào)的穩(wěn)定性。

筆者提出了一種采用雙基準(zhǔn)的概率成像方法，該方法將由于環(huán)境因素引起的信號(hào)變化加入到概率成像的方法中，可以在一定程度上補(bǔ)償健康監(jiān)測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定的影響，得出更為精確的損傷定位結(jié)果。

1 雙基準(zhǔn)概率成像方法原理

1.1 損傷概率成像方法

損傷概率成像方法的基本思想是：當(dāng)某一激勵(lì)-傳感路徑的Lamb波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比有變化時(shí)，認(rèn)為這一激勵(lì)-傳感路徑上可能有損傷發(fā)生；損傷存在的概率與信號(hào)的變化成正比，且損傷存在的概率以激勵(lì)器和傳感器為焦點(diǎn)的橢圓狀分布，橢圓焦點(diǎn)連線上損傷存在的可能性最大，然后隨著橢圓短軸的延長(zhǎng)，損傷存在的可能性越來越小。損傷概率成像方法的損傷概率分布如圖1所示。

圖1 損傷概率成像方法的損傷概率分布

之后將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為統(tǒng)一大小的網(wǎng)格，假設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)總共有N條激勵(lì)-傳感路徑，則在網(wǎng)格(x,y)處損傷存在的可能性如式(1)所示。

(1)

式中：DI,i為第i條激勵(lì)-傳感路徑的損傷因子;Wi[Ri(x,y)]為第i條激勵(lì)-傳感路徑的權(quán)重分布函數(shù)。

Ri(x,y)為網(wǎng)格位置(x,y)到第i條激勵(lì)-傳感路徑的相對(duì)距離，其可以表示為

(2)

式中：Di為第i條激勵(lì)-傳感路徑的激勵(lì)器和傳感器之間的距離；Da,i(x,y)和Ds,i(x,y)分別為第i條激勵(lì)-傳感路徑的成像點(diǎn)(x,y)與激勵(lì)器和傳感器之間的距離。

權(quán)重分布函數(shù)Wi[Ri(x,y)]要求當(dāng)相對(duì)距離Ri(x,y)增加時(shí)，其值要減小且遵循橢圓分布，因此Wi[Ri(x,y)]可以表示為

(3)

式中：β為控制損傷指數(shù)DI,i影響分布區(qū)域大小的比例參數(shù)。

1.2 損傷因子方法

典型的損傷因子如互相關(guān)損傷因子[5]、能量損傷因子[6]等，在計(jì)算中通過對(duì)比結(jié)構(gòu)損傷前后信號(hào)的變化來表征該通道的損傷程度。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試中，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力、溫度變化等因素的影響會(huì)使得基準(zhǔn)信號(hào)本身發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)中1-3通道及3-1通道在測(cè)試過程中的兩組基準(zhǔn)信號(hào)及一組損傷信號(hào)如圖2，3所示。其中，1-3通道兩組基準(zhǔn)信號(hào)的幅值未發(fā)生較大的變化，而3-1通道的兩組基準(zhǔn)信號(hào)的幅值和相位均發(fā)生了較大的變化。如果采用典型的損傷因子方法容易對(duì)是否存在損傷及損傷大小產(chǎn)生誤判。

圖2 基準(zhǔn)信號(hào)不存在明顯能量變化的通道(1-3通道)

圖3 基準(zhǔn)信號(hào)不存在明顯能量變化的通道(3-1通道)

需要在計(jì)算損傷因子的過程中，綜合考慮上述環(huán)境影響導(dǎo)致的基準(zhǔn)信號(hào)的幅值及相位的變化。原先的能量損傷因子為

(4)

式中：D(t)為損傷信號(hào);H(t)為健康信號(hào)。

基于此能量損傷因子的方法，未考慮環(huán)境因素導(dǎo)致的健康信號(hào)本身存在的不穩(wěn)定性。文中提出的方法如式(5)所示。

(5)

式中：H0(t)為對(duì)比基準(zhǔn)健康信號(hào)。

通過將兩次結(jié)構(gòu)一致條件下的信號(hào)相減得出在不存在損傷情況下的信號(hào)本身的能量變化。這樣就可以在一定程度上避免基準(zhǔn)信號(hào)的不穩(wěn)定導(dǎo)致的損傷誤判。

2 概率成像方法試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4為高承載復(fù)合材料盒段結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的壓電傳感器布置，紅色方框區(qū)域?yàn)閴弘妭鞲衅鞯牟贾梦恢?，白色圓形區(qū)域?yàn)橥ㄟ^無損檢測(cè)方法實(shí)際檢測(cè)得出的損傷位置。傳感器橫向布置間距為80 mm，縱向布置間距為90110 mm。試驗(yàn)共設(shè)置了A1A4，B1B4，C1C2，D1D2，共12個(gè)沖擊位置。其中，A1A4，B1B4及C1C2分別進(jìn)行兩次能量為10 J和5 J的沖擊試驗(yàn)，D1D2只進(jìn)行一次8 J的沖擊試驗(yàn)。另外,在C1C2處模擬一個(gè)傳感器存在失效的情況，在D1D2處模擬沖擊損傷發(fā)生于傳感器邊界的情況。試驗(yàn)中共涉及沖擊損傷22個(gè)。試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó)ACCELLENT公司研發(fā)的集成式多通道壓電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)選取激勵(lì)信號(hào)的中心頻率為150 kHz，信號(hào)采樣率為48 MHz，采樣長(zhǎng)度為10 000個(gè)點(diǎn)。

圖4 高承載復(fù)合材料盒段結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的壓電傳感器布置

通過選取區(qū)域內(nèi)4個(gè)壓電傳感器，構(gòu)成1個(gè)含有6個(gè)激勵(lì)傳感器路徑的監(jiān)測(cè)區(qū)域。在區(qū)域內(nèi)采集兩次結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)條件下的基準(zhǔn)信號(hào)，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生沖擊損傷后再采集含損傷的壓電傳感信號(hào)。圖57給出了A1_5J,D2_8J,B4_10J這3組典型沖擊位置及沖擊載荷下的定位結(jié)果，其中A1,B4沖擊位置位于(46，50)和(40，54)，D2沖擊位置位于(0，46)。

從圖57可以看出,A1_5J定位結(jié)果修正前后變化不大，但是D2_8J及B4_10J的定位結(jié)果在采用算法進(jìn)行修正前后存在比較明顯的差異，其中D2_8J的未修正結(jié)果成像點(diǎn)偏向右下角，這是因?yàn)?-2傳感器通道的健康基準(zhǔn)信號(hào)波動(dòng)引起了損傷的誤判。而B4_10J的成像結(jié)果點(diǎn)則偏向左上角，這也是因?yàn)?-3通道健康基準(zhǔn)信號(hào)波動(dòng)引起了損傷的誤判。通過對(duì)上述22個(gè)沖擊點(diǎn)進(jìn)行分析，采用傳統(tǒng)的概率成像方法，其正確定位的概率為68%，而采用基于雙健康基準(zhǔn)的概率成像方法的損傷定位精度達(dá)到82%。

圖5 損傷概率成像算法A1_5J定位結(jié)果

圖6 損傷概率成像算法D2_8J定位結(jié)果

圖7 損傷概率成像算法B4_10J定位結(jié)果

3 結(jié)語

(1) 采用概率成像算法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中的沖擊損傷定位。

(2) 傳統(tǒng)的概率成像算法容易受到環(huán)境因素的影響，其定位結(jié)果存在偏差。采用文中所述的方法可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境因素導(dǎo)致的定位誤差的改進(jìn)。