基于振動測試的載人潛水器結構損傷識別技術

趙子毅，丁忠軍2，張 奕2，潘文超

(1.青島科技大學 自動化與電子工程學院，青島 266100；2.國家深海基地管理中心,青島 266061)

隨著各國經濟的不斷發展和世界人口的不斷增加，對于海洋資源的勘探與開發成為21世紀人類社會發展的重要依托。載人潛水器是深海運載裝備的一種，是深海戰略中的前沿技術,得到了世界發達國家的高度重視[1]。載人潛水器是深海資源勘查與實現科學研究的重要運載工具，在未來世界海洋資源的開發中占有重要的地位。但是由于載人潛水器的工作環境復雜，其不斷受到的變化荷載與外部沖擊，會對其結構造成損傷。根據統計，在20142018年間，每航次結束后都發現潛水器框架有不同程度的損傷，共檢測到161處缺陷，其中構件連接處即焊縫處出現裂紋的頻率最高[2]。因此，對于載人潛水器的維護保障與運行管理變得尤為重要。我國載人潛水技術還處于起步階段，各方面技術均比較薄弱，加上載人潛水器材料的特殊性以及結構的復雜性，對于載人潛水器的現場維護維修是一個巨大的挑戰。一般情況下，對載人潛水器的快速損傷，常采用目視法檢測，該方法準確率低下；或待航次結束后，在陸地上對拆卸后的載人潛水器進行著色檢測，工作效率低下且成本較高；目前常用的超聲檢測并不適用于焊縫連接處；射線檢測、磁粉檢測等方法的效率較低，操作復雜且成本高。因此，針對上述情況，需要一種快速、即時評估的技術手段，對甲板上帶載潛水器進行快速損傷檢測，從而提高工作效率，節約成本。

基于振動測試的損傷檢測方法是一種有效的結構損傷檢測方法，能夠快速對結構進行損傷分析，得到了廣泛的研究與應用。對結構施加振動激勵信號，通過傳感器采集該振動響應信號，若結構中出現損傷，采集的結構振動響應信號中將會包含有相應的損傷信息[3]。目前,已經有大量專家學者提出了基于振動測試對結構進行損傷識別的方法，在國外，ALVANDI等[4]對振動測試的結構損傷檢測進行過評估。RUCKA利用小波變換的方法識別了結構平臺的振動響應信號[5]。在國內，郭健[6]利用小波分析對振動測試情況下的損傷識別進行了研究，并成功判別了損傷。余竹等[7]利用小波包能量曲率差法對振動測試的響應信號進行分析,同樣得到了損傷差異。但是上述研究中，都是對橋梁等結構進行分析試驗，而載人潛水器自身結構復雜，并且材料為鈦合金，針對其結構特點進行研究并得出損傷指標就成為了一個重要課題。

因此，筆者將振動測試損傷檢測的方法應用于載人潛水器架構上，通過加速度傳感器采集振動響應信號，搭配LabVIEW上位機采集數據。使用二進離散小波變換求得振動響應信號的相對能量曲率，然后利用小波包變換得到小波包能量，結合兩者定義了損傷聯合評估方法的損傷指標。最后根據試驗數據分析得到，該聯合評估方法能夠對載人潛水器的結構損傷進行差異判別，能夠應用于載人潛水器等深海運載裝備中，具有較好的應用前景。

1 載人潛水器聯合損傷識別評估方法

小波分析是在傅里葉變換的基礎上發展起來的信號處理方法，有能在時域與頻域上表征信號局部特征的能力。三層小波分析及小波包分析分解示意如圖1所示(j為分解層次)，圖中以三層分解為例，通過小波分析的方法對信號進行樹形分解。

圖1 三層小波分析及小波包分析分解示意

如圖1所示，小波分解雖然具有多分辨率的特點，但是其主要對低頻部分進行分解，對高頻段的分辨率差，因此僅適用于部分特性信號。而小波包分析將每一層的所有子帶都進行分解，并傳遞至下層，從而達到對高頻與低頻都進行分解的目的。所以對于信號的分析，小波包分析是在小波分析的基礎上進行了加強。

1.1 小波分析能量的算法

通過圖1可知，小波分析中原始信號與分解的子帶信號間具有如下的關系

f(t)=A1+D1+AA2+DA2+AAA3+DAA3

(1)

式中：A1，AA2，AAA3為低頻近似部分；D1，DA2，DAA3為高頻細節部分。

根據式(1)分析可以得知，若存在一個振動響應信號，只要選取合適的分解層次，便能夠將所需要的頻率成分落入某一頻帶內。

采用小波分解信號的相對能量曲率差法進行損傷識別[8-10]。首先，對結構施加瞬態沖擊激勵，為了使各階頻率信號分布在不同的頻帶上，需要選取合適的分解層次。假定進行探測的傳感器數目為n，經過激勵沖擊后各傳感器收到的響應信號經過小波分解后的信號向量Y為

Y={y1(t),y2(t),…,yn-1(t),yn(t)}

(2)

式中:yn(t)為第n個傳感器接收到的振動信號；向量Y中包含有各個傳感器采集的振動響應信號信息。

設第n個傳感器的振動響應信號yn(t)的能量為

(3)

式中：T為信號采樣時間。

根據式(3)可得信號能量向量E為

E={E1,E2,…,En-1,En}

(4)

1.2 小波包分析能量的算法

當對結構施加一個外部沖擊響應時，由于結構中出現損傷的部位會對激勵信號中的某些頻率成分造成增強，而對另一些頻率成分造成抑制。所以無損與損傷部位進行對比時，相同頻帶的能量會有差異。因此需要通過小波包變換求出不同頻帶的能量信號。

選取各個頻帶信號的平方和作為能量的標志

(5)

式中：Ei為各個頻帶能量；M為樣本長度；fi(k)為某一頻帶的重構子信號。

1.3 聯合損傷識別指標

根據上述的能量計算方法，需要分別對其進行能量歸一化處理

(6)

Pi=Ei/(∑Ei)

(7)

式中：Pi為第i頻帶上的能量曲率。

由式(6)將得到信號相對能量向量e={e1,e2,…,en-1,en}，e代表各傳感器所測振動信號的相對強弱狀態。由式(7)將各頻帶的能量進行歸一化處理。通過式(8)求得第n處傳感器的相對能量曲率。

(8)

式中：ln,ln+1分別為測點n+1與測點n的距離。

然后利用式(9)求得總體相對能量，并將其作為聯合損傷識別指標。

K=Δn+∑ΔPi

(9)

圖2 “蛟龍號”載人潛水器架構

2 材料與方法

2.1 平臺與對象

潛水器框架由多規格鈦合金型材組焊而成，主要焊縫是型材本身拼焊的角焊縫和型材的對接焊縫。根據近幾年對潛水器框架結構損傷的統計，裂紋出現頻率較高的位置是強構件與弱構件連接處、弱構件與弱構件連接處，占總缺陷量的36.7%和21.1%[2]。所以，文章在潛水器大修期間，針對構件焊縫連接處進行了振動測試研究。

試驗所采集的數據均來自“蛟龍號”載人潛水器(見圖2)。對去載后的“蛟龍號”載人潛水器進行損傷檢測，選取損傷點進行測試分析。

2.2 測試系統

在對“蛟龍號”載人潛水器進行振動測試的試驗中，利用程控電源、數據采集卡、四路加速度傳感器與Labview采集軟件構成完整的測試采集系統。程控電源對四路加速度傳感器進行供電，傳感器將接收到的信號送至數據采集卡，試驗中采用的數據采集卡為4通道，因此可以同時接收4路傳感器信號，數據采集卡通過USB傳入LabVIEW上位機。測試系統原理示意如圖3所示。

圖3 測試系統原理示意

試驗裝置中程控電源采用Keysight Technologics公司的N5766A型程控電源，加速度傳感器采用LANCETEC公司的ULT100型號，數據采集卡采用NATIONAL INSTRUMENTS公司的NI cDAQ-9174型號，使用LabVIEW2017版本對信號進行接收存儲。

2.3 試驗過程

在試驗過程中，針對“蛟龍號”載人潛水器的結構特點和結構損傷統計報告，選取關鍵部位進行對比檢測，分別在“蛟龍號”載人潛水器的3個部位，1棧、2棧、4棧處選取結構裂紋部位放置兩路加速度傳感器，并根據潛水器架構的對稱性，在其軸對稱位置結構無損傷處放置另外兩路加速度傳感器進行比較，共4路傳感器，通過編寫的LabVIEW軟件對信號進行采集。

圖4 傳感器安放位置外觀

選取4棧處，即蓄電池安放處進行結構損傷分析，在4棧結構損傷處的兩側安放兩路加速度傳感器A與B，并在其對稱位置無損處安放另外兩路加速度傳感器C與D，傳感器安放位置如圖4所示，A與C結構對稱，B與D結構對稱。其傳感器編號與安放位置見表1，安放好傳感器后，對1棧螺栓后橫梁中心施加振動信號，在此位置上進行3次振動激勵和信號采集。

表1 傳感器編號與安放位置

3 試驗結果

通過上述試驗方法，給予中心橫梁處一個振動沖擊信號，利用安置于“蛟龍號”載人潛水器架構上的4路加速度傳感器采集振動響應信號，利用NI數據采集卡采集信號，采樣頻率為500 kHz，再將采集的數據傳輸至電腦，利用LabVIEW上位機軟件實現波形的存儲。圖5為3次沖擊試驗中的某次波形圖，其中損傷A,B處為Sensor-01與Sensor-02信號，無損傷C,D處為Sensor-03與Sensor-04信號。

圖5 4路振動響應信號

由于采樣頻率設置較高，所以采樣點數量較大，為方便圖5中只顯示有效信號，從波形圖中可發現，采集的振動響應信號噪聲信號很小，對后期的信號處理十分有利。根據上文中各傳感器的對應關系可知,Sensor-01傳感器與Sensor-03傳感器對應，Sensor-02傳感器與Sensor-04傳感器對應，其中Sensor-01與Sensor-02處為損傷部位。

對4路振動響應信號繪制頻譜圖,如圖6所示。

對4路波形進行小波分析，采用離散小波變換，選取db4小波基進行9層分解，根據頻譜圖的分析，只保留05 kHz區域的子帶信號。圖7,8分別為A點和C點處小波子帶重構信號波形與頻譜。根據頻譜圖特性，只保留a9,d9,d8,d7,d6部分。

通過圖7，8可以發現，小波分析能夠對振動響應信號中疊加的模態信息進行分離，使分離的模態信息分布在不同的頻率帶上。從圖中可以發現各個子頻帶上具有明顯的差異。同理，小波包變換選用db4作為小波基，熵的類型為shannon。

圖7 A點小波子帶重構信號波形與頻譜

圖8 C點小波子帶重構信號波形與頻譜

4 試驗結果分析

根據上述試驗結果中小波分解后的結構，將各個子頻帶的重構信號代入式(3)中，求出能量值后代入式(6)得到相對能量值，最后通過式(8)求得相對能量曲率。A，B，C，D 4點處的能量曲率差如圖9所示。

圖9 各傳感器的能量曲率差

試驗中，C,D兩點作為無損參照部分，其相對曲率差為0，故不在圖中進行顯示。從圖9可以發現，A點與C點間的曲率差異明顯，但是B點與D點的相對能量曲率差較小，不適合判別，分析認為由于損傷處結構存在差異，所以B點與D點處相對能量曲率不太明顯。

同理，將小波包變換后的子代信號代入式(5)得到各個頻帶的能量。代入式(7)得到相對能量，從而得到相對能量曲率差,如圖10所示。

圖10 各傳感器的相對能量曲率差

根據圖9,10的結果，通過式(9)對結果進行疊加，當K值小于0時，則認為其部位處于損傷區域，否則判別為無損區域。

5 結語

(1)定義的聯合損傷指標能夠對損傷結構與無損結構進行區分，從而減少了單獨判斷的誤差。

(2)利用聯合損傷指標能夠針對載人潛水器等復雜深海運載裝備進行損傷檢測，方法簡單，效果好。

(3)利用聯合損傷指標能夠實現對載人潛水器甲板作業時的帶載檢測，有良好的應用前景。