基于Lamb波和支持向量機的復合材料損傷定位研究

曲磊 蘇晨輝

摘 要：為解決復合材料損傷定位問題，提出了一種基于Lamb波和支持向量機的定位方法。首先呈正方形均勻布置4個壓電傳感器，采用質量塊模擬損傷。通過小波濾波以及傅里葉變換提取帶有損傷信息的頻率特征，將8960（64×140）組頻率樣本作為輸入、以損傷位置作為輸出建立基于支持向量機的損傷位置辨識模型。最后經測試，60個（共64個）損傷位置準確識別，正確識別率為93.75%。說明此方法可以較高精度的辨識損傷位置，該研究對及早發現結構損傷位置，提高整體結構的安全性具有重要的意義和研究價值。

關鍵詞：復合材料;損傷定位;Lamb波;支持向量機

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.109

1 引言

復合材料以優異的性能在航空、航天及軌道交通中廣泛應用。但其在制造或服役期內不可避免產生損傷影響結構安全，對其進行損傷評估尤為重要。Lamb波具有檢測范圍廣、敏感性高等特點使其成為檢測損傷的理想選擇。

在基于Lamb波的損傷識別中，由于復合材料自身各項異性以及波在復合材料中的傳播尚不清楚，難以利用信號的特征指標找到辨識規律。但可以采用具有強非線性擬合能力的智能算法建立定位模型，將提升定位精度。為此提出了基于Lamb波和支持向量機的損傷定位方法。將信號進行濾波及提取帶有損傷信息的頻率特征，利用支持向量機建立損傷模型。經測試表明該方法可以較高精度識別損傷位置。

2 系統構建與實驗

選定尺寸為600 mm×600 mm×2 mm、鋪層順序為[0°/90°]8的復合材料開展實驗，呈正方形均勻布置4個壓電傳感器，其在板中的位置如圖1（c）所示。并在復合材料劃分64個區域，每個區域的尺寸為3cm×3cm。

圖1是損傷位置識別實驗系統，頻率為50 kHz的Lamb波由函數發生器發出經放大器加載到激勵器上，其余傳感器經示波器采集信號。其中損傷是采用粘結直徑為20mm的質量塊實現的。采用“DB8”小波和4尺度分解消除信號中含有的白噪聲，去噪前后的信號如圖2（a）所示，可以看到噪聲信號被剔除。

復合材料損傷會導致結構頻率響應發生變化，因此可以通過傅里葉變換提取損傷特征，建立頻域信息與損傷之間的關系模型。圖2（b）與（c）是損傷位于不同位置時信號的頻域圖，可以看到不同位置之間頻率的差異。

3 結果與討論

在圖1（c）所示的每個損傷位置分別采集140次數據經信號處理形成樣本數為8960個的訓練集。將其代入支持向量機進行訓練得到損傷識別模型。最終在每個位置開展一次實驗進行損傷測試，結果如圖3所示，其中有60個準確辨識，識別率為93.75%。說明該方法具有較高的損傷位置辨識精度。

4 結論

研究了基于lamb波和支持向量機的復合材料損傷位置識別方法。采取主動激勵的方法檢測復合材料的損傷，支持向量機可以建立信號與損傷之間的復雜映射關系。該方法正確識別率為93.75%，證明其在復合材料板損傷定位識別方面具有較高的準確性和應用潛力。

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