模擬海洋環境干擾下復合板低速沖擊定位實驗

崔俊國， 張慶雪， 劉 琦， 梅連朋， 侯國建， 肖文生

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院海洋物探及勘探開發裝備國家工程研究中心，山東 青島 266580；2.南洋理工大學機械與航空航天工程學院，新加坡 639798）

0 引言

船舶工作在惡劣的海洋環境中，頻繁遭受波浪砰擊或極地冰載荷等各種低速沖擊載荷，在其內部容易產生分層或裂紋等形式的沖擊損傷，降低船舶的結構強度。實現船舶復合板結構的低速沖擊實時監測已成為國內外重點關注的研究方向之一。

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）傳感器具有體積小、重量輕、響應快、分辨率高、抗干擾能力強、耐腐蝕能力強以及易于構建分布式傳感網絡等獨特優勢［1-3］，為船體結構健康監測提供了新方法。有學者利用FBG傳感器開展復合板低速沖擊監測技術研究多以實驗室的理想環境作為實驗基礎［4-6］，對復合材料的損傷進行定位及檢測［7-9］，同時也有大量學者針對低速沖擊定位中采集信號的精確性問題進行了理論研究［10-12］，對沖擊產生的應力波進行修正或重構［13-15］，但均未考慮實際環境因素對監測信號的影響，限制了其在船舶或其他領域的實際應用。

為解決上述問題，本文充分考慮海洋環境干擾的環境因素，在此基礎上利用FBG傳感技術采集低速沖擊信號，設計低速沖擊裝置，研究沖擊定位實驗系統的搭建并測試其干擾、沖擊信號的收集功能，以期為后續驗證沖擊定位方法的可行性和精確性提供數據支撐，同時為船舶或海洋平臺的低速沖擊監測系統研究及工程化提供平臺。

1 實驗原理

1.1 實驗系統原理

模擬海洋環境干擾下復合板低速沖擊定位實驗系統包括復合板試件、FBG 傳感系統、低速沖擊裝置及模擬海洋環境干擾系統，如圖1 所示。其中：模擬海洋環境干擾系統包括激振器、功率放大器、數據采集分析系統以及計算機；FBG 傳感系統包括FBG 傳感器、FBG解調儀以及計算機。由圖1 可見，計算機1 用于輸出干擾信號至數據采集分析系統，數據采集分析系統輸出信號到功率放大器，信號經放大后由激振器輸出，激振器與復合板試件背面連接，用于模擬海洋環境干擾。低速沖擊裝置用于在復合板不同位置提供不同能量的沖擊，4 個FBG 傳感器（FBG1、FBG2、FBG3、FBG4）用于感應復合板受到沖擊后光波長λ的變化。FBG解調儀對FBG傳感器的中心波長進行解調，并將解調出的波長信號傳輸到計算機2，通過計算機里的上位機程序將各種波長信號轉化為待測物理量的特征信號，即可對結構實行實時監測。

圖1 模擬海洋環境干擾下復合板低速沖擊定位實驗系統原理

1.2 FBG傳感原理

FBG傳感器利用光纖的光敏性原理，由入射紫外光引起光纖纖芯折射率沿纖芯軸線方向發生周期性變化，如圖2 所示。FBG可被看作是一種具有選擇性的窄帶反射鏡，用于選擇和反射特定波長的入射光。當FBG 所在外界環境的溫度發生變化或受到拉力作用（即應變發生變化）時，光纖纖芯的有效折射率和光柵周期發生變化，FBG 反射光中心波長隨之發生漂移。通過解調反射光中心波長的漂移量，可實現對溫度和應變的測量。

圖2 FBG傳感器工作原理

復合板結構遭受低速沖擊的瞬間，沖擊點處的接觸力所產生的應力波將引起板結構內部的微變形，并從沖擊點快速傳播到沖擊點周圍區域。當應力波傳播到板結構上FBG傳感器所粘貼位置時，FBG傳感器因此處板結構內部微變形的影響而受到拉力作用，導致FBG傳感器中心波長發生漂移，從而捕捉低速沖擊的響應信號。

2 實驗方案設計與系統搭建

2.1 復合板試件

實驗試件采用T700/3234 碳纖維/環氧樹脂預浸料制成的復合材料層合板，即碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）層合板，鋪層順序為［0/90］8s，尺寸為500 mm ×500 mm ×2 mm。采用四邊固支方式對CFRP 層合板進行約束。選取CFRP層合板正面中心位置尺寸為320 mm ×320 mm的正方形區域作為監測區域。在CFRP層合板上建立以其左下角頂點作為坐標原點的二維直角坐標系，監測區域劃分方式如圖3 所示。

圖3 復合板試件監測劃分方式

2.2 FBG傳感系統

FBG傳感系統由4 支FBG傳感器、1 臺FBG解調儀和1 臺計算機組成。4 支FBG傳感器以45°對稱方式粘貼于CFRP 層合板背面四端，柵區長度均為10 mm，中心波長及粘貼位置見表1 所列。FBG解調儀型號為si155（Micron Optics公司），掃描頻率為5 kHz，具有4 個光通道，每個光通道連接1 支FBG 傳感器，能夠以5 kHz采樣頻率同時采集4 支FBG傳感器中心波長的漂移量。計算機為Intel（R）Core（TM）i7-8700 CPU@3.20 GHz處理器和16.00 GB內存，Windows 1064 位操作系統。

表1 4 支FBG傳感器中心波長及粘貼坐標位置

2.3 低速沖擊裝置

為降低二次或多次沖擊干擾，保證沖擊過程中僅為一次沖擊，自主研制一套低速沖擊裝置模擬低速沖擊，采用直徑為φ15 mm，質量為13 g的鋼球作為沖擊頭，將其與直徑為φ3 mm、有效長度為200 mm、質量為17 g的細長鋼桿螺紋連接。采用3 個滑塊控制低速沖擊位置，滑塊通孔與細長鋼桿配合，使沖擊頭垂直運動。在滑塊通孔兩端對稱安裝一對直線軸承以消除細長鋼桿與通孔內壁之間的摩擦，使沖擊頭的垂直運動可近似認為是自由落體運動。

通過在細長鋼桿有效長度內調節沖擊頭高度可產生具有不同沖擊能量或沖擊速度的沖擊。該低速沖擊裝置的最大沖擊高度為200 mm，即該低速沖擊裝置所產生沖擊能量范圍為0 ～58.8 mJ，沖擊速度范圍為0 ～1.9799 m/s。

2.4 模擬海洋環境干擾系統

模擬海洋環境干擾系統由激振器、功率放大器、數據采集分析系統和計算機組成。激振器型號為DH40500，該激振器工作頻率范圍5 ～4000 Hz，工作電流較小，通過頂桿與復合板試件相連來模擬海洋環境干擾。功率放大器選用型號為DH5874，最大輸出功率500 VA，用來驅動激振器。數據采集分析系統選用型號為DH5902N 堅固型，通過網絡與計算機相連，實現數據實時采集、傳輸、存儲、顯示與分析。搭建的模擬海洋環境干擾下復合板低速沖擊定位實驗系統實物如圖4 所示。

圖4 模擬海洋環境干擾下復合板低速沖擊定位實驗系統實物圖

3 實驗系統測試

本實驗采用正弦定頻激勵來模擬海洋環境干擾，通過將鋼球在不同高度的位置下落，實現對復合板不同能量的沖擊。鋼球下落后，與復合板監測區域接觸點的坐標即代表低速沖擊位置。通過FBG 傳感系統分別對干擾信號和干擾下沖擊信號進行收集。

3.1 模擬海洋環境干擾信號收集

實驗采用幅值為1 V、頻率為10 Hz的正弦波來模擬海洋環境干擾，4 支FBG 傳感器均以5 kHz采樣頻率同時采集激振器產生的干擾信號，采樣時間為3 s，即每支FBG傳感器所采集沖擊響應信號總長度均為15000。如圖5 所示為4 支傳感器采集的干擾信號及其頻譜。由圖可知，FBG 傳感系統可以較為準確地測出干擾信號。

圖5 4支傳感器采集的干擾信號及其頻譜對比

3.2 模擬海洋環境干擾下沖擊信號收集

在相同環境干擾下，對復合板進行沖擊，采集沖擊響應信號。為保證低速沖擊過程完整性，與采集干擾信號相同，4 支FBG 傳感器以5 kHz采樣頻率同時采集沖擊產生的響應信號，采樣時間為3 s，每支FBG傳感器所采集沖擊響應信號總長度均為15000。低速沖擊裝置的沖擊高度分別設置為50、100、150 和200 mm。環境干擾設置與3.1 相同。如圖6 所示為模擬海洋環境干擾下FBG1 傳感器所采集不同高度沖擊響應信號及頻譜。由圖可知，隨著下落高度的增加，沖擊信號逐漸增強，FBG 傳感器的波長漂移也隨之增大，收集的信號較為理想，驗證了該系統具有良好的信號收集功能。

圖6 模擬海洋環境干擾下FBG1傳感器所采集不同高度沖擊響應信號及其頻譜對比

4 結語

本文搭建了模擬海洋環境干擾下復合板低速沖擊定位實驗系統并進行了信號收集測試。結果表明：干擾激勵源可穩定地向復合板輸出正弦信號來模擬海洋環境；低速沖擊裝置設計合理可靠，可獲取不同能量的沖擊信號；FBG 傳感系統布局均勻，可實現對干擾信號和沖擊信號的實時監測。該實驗系統可用于收集沖擊定位測試樣本，但后續低速沖擊位置精確定位的實現，還需對收集的信號進一步優化處理。