基于光纖傳感網絡的變截面復合材料低速沖擊定位*

陸 觀,徐一鳴,邱自學,梁大開,袁 江

(1.南通大學機械工程學院,江蘇 南通 226019;2.南京航空航天大學智能材料與結構航空科技重點實驗室,南京 210016;3.江蘇華宇印涂設備集團有限公司,江蘇 南通 226000)

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基于光纖傳感網絡的變截面復合材料低速沖擊定位*

陸 觀1,3,徐一鳴1*,邱自學1,梁大開2,袁 江1

(1.南通大學機械工程學院,江蘇 南通 226019;2.南京航空航天大學智能材料與結構航空科技重點實驗室,南京 210016;3.江蘇華宇印涂設備集團有限公司,江蘇 南通 226000)

為了檢測復雜復合材料結構的沖擊內部損傷位置,構建了基于光纖傳感網絡的變截面復合材料板低速沖擊監測系統。采用可檢測結構應變場的光纖光柵傳感器,在恒溫下監測并分析了變截面復合材料板的沖擊響應信號,利用經驗模態分解方法提取沖擊信號頻譜特征,通過自回歸模型將頻譜特征量建模,最后利用樣本信號與待測信號之間的馬氏距離判定沖擊信號位置。實驗結果表明基于光纖光柵傳感網絡、經驗模態分解和自回歸模型的變截面復合材料板低速沖擊定位方法可行且最大相對誤差為4.27%。

光纖光柵傳感器;低速沖擊定位;經驗模態分解;自回歸模型;變截面復合材料

復合材料在各個領域的使用越來越廣泛,而復合材料結構的動態監測及維護也成為了國內外學者的研究重點[1-3]。由于復合材料受低速沖擊后易產生外表面不易察覺的結構內部損傷,因此監測復合材料結構的動態信號十分重要。實時監測復雜結構沖擊位置能為結構損傷預警提供一定的依據并極大減少成本投入[4-5]。

目前應用于結構動態監測的傳感器種類很多,光纖Bragg光柵FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器以其體積小、質量輕、抗干擾、耐腐蝕、絕緣好、可分布式等優點得到了較為廣泛的應用[6-7]。Jang等研究者采用高速解調儀獲取沖擊響應信號,并結合人工神經網絡方法提出了快速沖擊定位算法[8]。Do等采用有限元方法建立復合材料板多模態振動模型,通過埋入式FBG傳感網絡監測結構應變,實現了對復合材料船體結構損傷的有效監控[9]。Webb等采用FBG傳感器進行了復合材料層合板動態環境下的全頻譜測量,通過薄板在振動、沖擊以及損傷時的頻譜畸變分析實現了復合材料結構健康監測[10]。但是目前的相關研究較少涉及到變截面復合材料的沖擊監測。

變截面復合材料板比一般復合材料板的強度有所提高,但是動態載荷下的定位分析更為復雜。因此,進行變截面復合材料板的沖擊定位研究,不僅能為其內部損傷理論和容限設計的發展提供依據,而且能進一步加強復合材料設計應用水平。本文基于光纖光柵傳感網絡,利用沖擊信號經驗模態分解及自回歸模型方法,進行了變截面復合材料板的沖擊定位研究。

1 沖擊信號定位方法

變截面復合材料層合板沖擊響應為非平穩信號,且受到結構振動及其他擾動信號干擾。黃變換中的經驗模態分解EMD(Empirical Model Decomposition)方法可將復雜非平穩性信號分解成固有模態函數IMF(Intrinsic Mode Function)分量和[11]。自回歸AR(Auto Regressive)模型對條件的變化比較敏感,因此適用于復合材料層合板的沖擊檢測[12]。EMD分解所獲特征量無需再處理可直接用于建立AR模型。提取出的沖擊信號樣板向量,可以用Mallalanobis距離(馬氏距離)識別結構沖擊信號的位置。

1.1 經驗模態分解

EMD分解的主要作用是去除信號疊加波且讓數據波形更對稱。原始信號X(t)可以分解成:

(1)

EMD篩選過程的終止條件為:cn(t)或者rn(t)小于預定誤差;或rn(t)為一個單調函數。其中rn表明信號趨勢,cn(t)為分解量,各階分量近似正交、具有自適應性。

1.2 AR模型參數的確定和估計法

建立AR模型的關鍵問題在于估計模型參數,一般利用最小二乘法或自回歸白噪聲估計方法[13]。

AR模型定義是:任一時刻k上的數值xk可表示為m個過去時刻的數值線性組合以及k時刻白噪聲之和,即:

xk=φ1xk-1+φ2xk-2+…+φmxk-m+ak

(2)

(3)

(4)

1.3 沖擊定位算法步驟

針對變截面復合材料層合板的沖擊定位算法具體步驟如下:

①在L個沖擊位置各采集N次數據,作為沖擊樣本信號。

②對沖擊信號進行EMD分解。假設某沖擊信號IMF分解量個數為n,且為最大,則所有沖擊信號的IMF分解量均以零分量補足為n個。

③對每個IMF分解量構建AR模型,確定模型階數m以及自回歸參數φik(k=1,2,…,m),φik為第i個IMF分解量的第k個自回歸參數。

(5)

其中:j=1,2,…,L分別表示L個沖擊點位置。

⑤采集待定位沖擊信號x(t),進行EMD分解并構建AR模型,求出自回歸參數φx,ik(k=1,2,…,m),i表示第i個分解量,k表示該分解量AR模型的第k個參數估計值。建立x(t)的第i個分解量特征值:

Ax,i=[φx,i1,φx,i2,…,φx,im]

(6)

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

(7)

其中,S為樣本沖擊信號的協方差矩陣[14]:

(8)

⑦將步驟2中IMF分解量的互相關系數作為n個馬氏距離數值的權重系數γ1,γ2,…γn。互相關系數計算公式如下:

(9)

⑧計算L個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。

⑨根據馬氏距離定義比較d1、d2、…、dL間數值大小,取最小者為當前沖擊位置。

2 沖擊實驗結果與分析

2.1 沖擊監測系統簡介

如圖1所示為沖擊監測系統,由沖擊錘、試件、6個FBG傳感器、SI425型光纖光柵解調儀(頻率250 Hz,分辨率1 pm)、計算機組成,解調儀將FBG傳感器采集到的沖擊信號傳輸到計算機中。

圖1 沖擊監測系統

圖2 傳感器排布方案與沖擊位置

實驗所用復合材料板尺寸為240 mm×200 mm,均勻劃分為4行6列,復合材料為T300/QY8911,最薄處為45 mm,最厚處為47.5 mm。根據變截面復合材料試件的特性,傳感器排布方案與沖擊位置如圖2所示,波長與位置見表1。

表1 光柵波長與位置

2.2 沖擊定位分析

通過沖擊監測系統采集24個沖擊點的響應信號,沖擊能量為1 J,重復3次。再對任意點以相同能量進行沖擊,利用復合材料沖擊定位算法進行定位,其中L=24,N=3,將沖擊樣本信號進行EMD分解后,得到IMF分量最大數值n=7。

采集復合材料層合板的待判位分析沖擊信號x(t)如圖3所示,進行EMD分解,其中第3階分解量頻譜如圖4所示。將頻譜量構建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)傳感網絡信號

圖4 信號EMD分解第3階頻譜圖

求出樣本信號與待測信號分解量特征值的綜合馬氏距離如表2所示,其中加粗數據為同組數據中的最小者,可見基于本文算法的沖擊定位結果準確。

表2 綜合馬氏距離計算結果

根據對稱性,選擇了復合材料板上關鍵的15個沖擊點進行定位實驗,得出判定結果如圖5所示。

圖5 定位結果示意圖

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)。根據式(11)可以由判位結果計算出沖擊信號定位相對誤差為2.1%～4.27%,符合工程應用范圍。

(11)

3 結論

①提出采用光纖傳感網絡監測變截面復合材料板低速沖擊載荷位置的方法,利用光纖Bragg光柵的應變監測特性,分析并推導了基于經驗模態分解和自回歸模型的沖擊信號定位方法。

②基于光纖傳感器、經驗模態分解及自回歸模型的沖擊信號定位方法,搭建變截面復合材料板低速沖擊信號定位系統。系統解決了復雜復合材料結構的沖擊監測問題,且不易受環境干擾。

③通過實驗表明,上述低速沖擊定位系統最大相對誤差為4.27%,可以滿足低速沖擊載荷位置判別的工程應用需求。

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陸觀(1983-),女,江蘇南通人,博士,南通大學副教授,主要從事先進傳感技術及結構健康監測等方面的研究,luguan@ntu.edu.cn;

徐一鳴(1981-),男,江蘇南通人,博士,南通大學副教授,主要從事數字圖像處理及先進傳感器技術等方面的研究,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

項目來源:國家自然科學基金項目(61273024);交通運輸部應用基礎研究項目(2014319813180);江蘇省教育廳面上項目(14KJB510030);江蘇省博士后科研計劃項目(1301016B);南通市科技應用研究計劃項目(BK2013019);南通大學自然科學研究專項項目(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