T300碳纖維復(fù)合材料損傷聲發(fā)射信號(hào)的有監(jiān)督模式識(shí)別

李　偉,李英年,蔣　鵬,王　驍

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 大慶 163318)

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T300碳纖維復(fù)合材料損傷聲發(fā)射信號(hào)的有監(jiān)督模式識(shí)別

李偉,李英年,蔣鵬,王驍

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 大慶 163318)

摘要：對(duì)T300碳纖維復(fù)合材料板拉伸斷裂過(guò)程進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)和漸進(jìn)損傷分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用K-means聚類判定了[0°/90°]14T300碳纖維復(fù)合材料板拉伸斷裂信號(hào)的失效形式，并對(duì)該聚類模型進(jìn)行了有監(jiān)督的訓(xùn)練和測(cè)試，將其應(yīng)用到相似未知損傷信號(hào)中，很好地完成了模式識(shí)別。試驗(yàn)結(jié)果為今后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料損傷提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；聲發(fā)射；K-means；有監(jiān)督模式識(shí)別

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)具有強(qiáng)度高、抗熱沖擊性好，比重小等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、軍事等尖端領(lǐng)域。在其服役過(guò)程中可能會(huì)因疲勞振動(dòng)、摩擦、撞擊等原因出現(xiàn)基體開裂、分層、纖維斷裂等損傷。這些損傷可能導(dǎo)致不可估量的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡[1]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)碳纖維復(fù)合材料損傷具有重要意義。

聲發(fā)射是指材料或構(gòu)件內(nèi)部因應(yīng)力超過(guò)屈服極限而進(jìn)入不可逆的塑性變形階段或有裂紋形成和擴(kuò)展、斷裂時(shí)快速釋放出應(yīng)變能而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的現(xiàn)象[2]。該技術(shù)可通過(guò)材料或構(gòu)件釋放的應(yīng)力波診斷出損傷狀況，已經(jīng)成為一種研究復(fù)合材料損傷失效的重要無(wú)損檢測(cè)手段[3]。

筆者對(duì)碳纖維復(fù)合材料拉伸斷裂過(guò)程進(jìn)行分析，在無(wú)監(jiān)督模式下對(duì)損傷聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行最優(yōu)聚類，判定損傷信號(hào)失效模式；然后，對(duì)分類模型進(jìn)行有監(jiān)督模式訓(xùn)練，并將其應(yīng)用于未知碳纖維復(fù)合材料損傷信號(hào)。結(jié)果可為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料損傷提供更準(zhǔn)確、客觀的依據(jù)。

1有監(jiān)督模式識(shí)別

模式識(shí)別可分為無(wú)監(jiān)督模式識(shí)別和有監(jiān)督模式識(shí)別。無(wú)監(jiān)督模式識(shí)別，是針對(duì)樣本進(jìn)行研究,根據(jù)樣本間的相似度進(jìn)行最優(yōu)的分類建模。無(wú)監(jiān)督模式識(shí)別的典型例子就是聚類，聚類的目的在于把相似的樣本聚在一起。有監(jiān)督模式識(shí)別，是通過(guò)對(duì)已知樣本的分類，訓(xùn)練得到一個(gè)分類模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知樣本分類的目的[4]。模式識(shí)別的流程示意如圖1所示。

圖1　模式識(shí)別流程示意

有監(jiān)督模式識(shí)別的一般步驟為：

(1) 訓(xùn)練分類器

選取一組已知類別的樣本作為訓(xùn)練集，應(yīng)用最優(yōu)分類模型對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行分類訓(xùn)練進(jìn)而得到分類器。

(2) 分類測(cè)試

選取另一組已知類別的樣本作為測(cè)試集，將訓(xùn)練所得分類器應(yīng)用于測(cè)試集測(cè)試識(shí)別率，若識(shí)別率符合要求即分類器有效，否則分類器無(wú)效。

(3) 模式識(shí)別

將測(cè)試有效的分類器應(yīng)用于未知樣本進(jìn)行分類識(shí)別。

2試驗(yàn)過(guò)程

2.1　試件制備

試件采用日本東麗公司生產(chǎn)的T300型環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料層合板(以下簡(jiǎn)稱T300碳纖維復(fù)合材料板)，機(jī)械加工成I型長(zhǎng)條試件，鋪層結(jié)構(gòu)分別為[-45°/45°]14和[0°/90°]14。試件的形狀、尺寸以及數(shù)量參照GB/T 1040.4-06《塑料拉伸性能測(cè)定 第4部分：各向同性和正交各向異性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)條件》進(jìn)行制備。試件尺寸示意如圖2所示。

圖2　試件尺寸示意

2.2　試驗(yàn)裝置及過(guò)程

T300碳纖維復(fù)合材料板拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)由CMT-5000萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、PCI-2聲發(fā)射檢測(cè)儀、WD傳感器、2/4/6前置放大器等組成。試驗(yàn)時(shí)將傳感器固定在試件上，采用鉛芯斷裂法(QJ2914-97《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件聲發(fā)射檢測(cè)方法》)標(biāo)定。T300碳纖維復(fù)合材料板拉伸試驗(yàn)裝置如圖3所示，拉伸試驗(yàn)時(shí)以1 mm·min-1的速率對(duì)試件進(jìn)行連續(xù)加載直至試件破壞失效，采集拉伸斷裂過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)并記錄試件破壞形式。

圖3　拉伸試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意

3結(jié)果分析與討論

3.1　層合板損傷模式分析

對(duì)兩種鋪層方式的T300碳纖維復(fù)合材料板的拉伸斷裂過(guò)程進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，研究拉伸過(guò)程試件損傷破壞情況。

[-45°/45°]14T300碳纖維復(fù)合材料板損傷形式有兩種：基體開裂和界面分層。如圖4(a)、(b)所示，[-45°/45°]14試件失效過(guò)程中，剪切破壞起主要作用，受力方向同碳纖維鋪層方向一致。基體一旦失效，面內(nèi)與纖維垂直方向的承載力迅速降低，逐漸出現(xiàn)基體與纖維分離現(xiàn)象，繼而發(fā)生分層損傷。

[0°/90°]14T300碳纖維復(fù)合材料板損傷形式有三種：基體開裂、界面分層和纖維斷裂。如圖4(c)、(d)所示，加載初期，90°鋪層方向，碳纖維因其良好的抗拉性能抑制了基體裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。而0°鋪層方向，基體作為主要載體，界面隨著載荷增大逐漸產(chǎn)生裂紋;當(dāng)外力超過(guò)其承受極限時(shí)，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最終基體與碳纖維分離。由于試件邊緣碳纖維只有單側(cè)粘合，纖維損傷最易從此處開始，其隨著載荷增加而與周圍碳纖維發(fā)生分離，之后斷裂且損傷逐漸向中間擴(kuò)展。

圖4　不同纖維鋪層方式T300碳纖維復(fù)合材料板基體拉伸失效圖

對(duì)[-45°/45°]14和[0°/90°]14T300碳纖維復(fù)合材料板損傷試件進(jìn)行光學(xué)顯微觀察(見圖5)，[-45°/45°]14試件僅出現(xiàn)基體開裂和界面分層損傷；[0°/90°]14試件出現(xiàn)明顯的纖維斷裂、基體開裂和界面分層損傷。觀察結(jié)果與模擬分析一致，確定了各試件的損傷失效模式，后文將以此為分類依據(jù)對(duì)損傷聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別。

圖5　T300碳纖維復(fù)合材料板損傷試件的光學(xué)顯微圖

3.2　損傷信號(hào)K-means聚類

[0°/90°]14T300碳纖維復(fù)合材料板拉伸斷裂過(guò)程中包括了3種損傷形式，因此，以[0°/90°]14試件損傷信號(hào)為樣本進(jìn)行聚類分析。分析信號(hào)參數(shù)間的相關(guān)性，如圖6所示，能量、信號(hào)強(qiáng)度、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間和峰值數(shù)量間相關(guān)性較強(qiáng)。其中振鈴計(jì)數(shù)與能量的相關(guān)性最強(qiáng)，創(chuàng)建振鈴計(jì)數(shù)-能量頻散圖，以能量、振鈴計(jì)數(shù)、持續(xù)時(shí)間、振幅、峰值數(shù)量和上升時(shí)間為提取特征，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理。

圖6　損傷信號(hào)參數(shù)相關(guān)圖

在無(wú)監(jiān)督模式下應(yīng)用K-means算法對(duì)損傷聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行聚類分析[5]，將數(shù)據(jù)分為3類，如圖7所示。添加振鈴計(jì)數(shù)-振幅，振鈴計(jì)數(shù)-上升時(shí)間，時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)頻散圖輔助分析聚類的有效性，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料板力學(xué)性能和拉伸斷裂損傷失效機(jī)制判定：0類為基體開裂信號(hào)，1類為纖維斷裂信號(hào)，2類為界面分層信號(hào)。從圖中可看出,基體開裂信號(hào)在拉伸的整個(gè)過(guò)程中一直存在，拉伸開始一段時(shí)間后出現(xiàn)界面分層，最后是纖維斷裂，并且基體開裂信號(hào)事件多、能量最小，纖維斷裂信號(hào)事件少、能量最強(qiáng)。分類與預(yù)期聚類相符，最優(yōu)聚類模型完成。

圖7　[0°/90°]14試件損傷信號(hào)聚類分析圖

3.3　損傷信號(hào)有監(jiān)督模式識(shí)別

對(duì)最優(yōu)聚類模型進(jìn)行有監(jiān)督訓(xùn)練和測(cè)試。將樣本所用[0°/90°]14試件損傷信號(hào)分為2組，奇數(shù)信號(hào)樣本作為訓(xùn)練集，偶數(shù)信號(hào)樣本作為測(cè)試集。在有監(jiān)督模式下，按照上述方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征參數(shù)提取和K-means聚類，從而完成訓(xùn)練。對(duì)測(cè)試集分類結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(見圖8)：44 814個(gè)基體開裂信號(hào)中23個(gè)被識(shí)別為界面分層信號(hào)；17個(gè)纖維斷裂信號(hào)完全識(shí)別正確；2 703個(gè)界面分層信號(hào)中26個(gè)被識(shí)別為基體開裂信號(hào)。對(duì)破壞后果最嚴(yán)重的纖維斷裂信號(hào)識(shí)別效果最好，識(shí)別率100%；對(duì)前期損傷——界面分層、基體開裂信號(hào)識(shí)別略差，但識(shí)別率也達(dá)到了99.0%和99.9%，信號(hào)總體識(shí)別率為99.9%，因此有監(jiān)督訓(xùn)練有效,聚類模型可用于未知數(shù)據(jù)模式識(shí)別。

圖8　有監(jiān)督模式識(shí)別測(cè)試結(jié)果圖

將有監(jiān)督模式識(shí)別模型應(yīng)用于其他[-45°/45°]14、[0°/90°]14試件損傷信號(hào)。5組[-45°/45°]14試件損傷信號(hào)均被分為兩類(見圖9)：0類和2類，即基體開裂和界面分層信號(hào)；其余4組[0°/90°]14試件損傷信號(hào)均被分為3類(見圖10)：基體開裂、界面分層和纖維斷裂信號(hào)。可見，信號(hào)聚類特性與無(wú)監(jiān)督模式下聚類特性一致。因此，有監(jiān)督模式識(shí)別有效，能有效識(shí)別未知碳纖維復(fù)合材料的拉伸斷裂損傷信號(hào)。將此有監(jiān)督模式識(shí)別模型應(yīng)用于聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳纖維復(fù)合材料拉伸斷裂損傷，能及時(shí)識(shí)別試件損傷模式，預(yù)測(cè)試件失效。

圖9　[-45°/45°]14試件損傷信號(hào)有監(jiān)督模式識(shí)別圖

圖10　[0°/90°]14試件損傷信號(hào)有監(jiān)督模式識(shí)別圖

4結(jié)論

通過(guò)漸進(jìn)損傷分析和微觀研究確定了碳纖維復(fù)合材料拉伸斷裂過(guò)程的損傷失效機(jī)制。應(yīng)用有監(jiān)督模式識(shí)別碳纖維復(fù)合材料拉伸損傷聲發(fā)射信號(hào)，能有效識(shí)別基體開裂、界面分層、纖維斷裂等損傷信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)判碳纖維復(fù)合材料損傷失效提供了更準(zhǔn)確、客觀的依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]付濤.新型光纖傳感器及其在纖維復(fù)合材料的聲發(fā)射源定位研究[D].哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.

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The Supervision Pattern Recognition of AE Signals of T300

Carbon Fiber Composite Material Damages

LI Wei, LI Ying-nian, JIANG Peng, WANG Xiao

(College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract：The acoustic emission technology (AE) was used to monitor the tensile failure process of T300 carbon fiber composite material plate. Based on the test and progressive damage analysis,K-means clustering was applied to determine failure pattern of tensile damage signals of [0°/90°]14T300 carbon fiber composite material plate，and the clustering model was trained and tested under the supervision. The classification model was applied to the other similar data,and signals were well sorted.The above-mentioned method can thus provide a scientific basis for real-time monitoring of failure of carbon fiber composites .

Key words:Carbon fiber composite material; Acoustic emission; K-means; Supervision pattern recognition

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)02-0009-05

DOI:10.11973/wsjc201602003

作者簡(jiǎn)介：李偉(1970-)，男，副院長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槁暟l(fā)射檢測(cè)與評(píng)價(jià)、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)。

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAH28F03)

收稿日期：2015-07-29