CN104614259A - 一种复合材料板的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料板的无损检测方法，特别适用于T300/epoxy-3231复合材料，包括以下步骤：(1)对健康和有分层损伤的复合材料板分别进行冲击测试，得到复合材料板的应变信号；(2)分解EMU，提取第4阶IMF分量的能量贡献率作为损伤特征向量；(3)将健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量作为训练样本，采用支持向量机进行训练，得到训练好的样本；(4)将损伤状态未知的复合材料板的应变信号代入到训练好的样本中，判定复合材料板是否出现分层损伤。

Description

一种复合材料板的无损检测方法

技术领域

本发明属于结构动力学无损检测领域，具体涉及一种复合材料板的无损检测方法。

背景技术

由于复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好，破损安全性能高，以及无磁性、阻尼减振性等多种功能性优良特性，现已在航空、航天、舰船、兵器、建筑和体育用品等军、民用领域中得到越来越广泛的应用。然而，一方面，复合材料结构在制造和装配过程中不可避免地出现内部缺陷和损伤；另一方面，复合材料性能特殊性要求的应用迫使复合材料结构件通常在环境比较恶劣的状态下运行，从而内部的缺陷与损伤在极端环境中加速扩展。虽然这些细微的局部损伤一般不会立即导致整个结构的破坏，但是它往往对结构的安全构成巨大的潜在威胁，尤其是在周围环境状况突变和疲劳载荷作用下引发结构强度和刚度突然下降，若不能即时发现，将导致结构的迅速破坏，从而降低使用寿命甚至结构失效，严重的还会导致突发性的灾难事故，造成无可估量的经济损失和人身伤亡。因此，开展复合材料的损伤监测具有重要的意义。

发明内容

为了解决现有的复合材料损害探测难的技术问题，本发明提出一种新的复合材料板的无损检测方法，能够快速有效地对复合材料板结构进行无损探伤。

为实现以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料板的无损检测方法，包括以下步骤：

S1：在复合材料板上设置测点，进行冲击测试，分别得到健康和有分层损伤复合材料板的应变信号；

S2：通过EMD分解，对应变信号进行平稳化处理，获取应变信号的各个基本模式分量，提取第4阶IMF分量的能量贡献率作为损伤特征向量；

S3：将健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量作为训练样本，采用支持向量机进行训练，得到训练好的样本，将损伤状态未知的复合材料板的应变信号代入到训练好的样本中，判定复合材料板是否出现损伤；

S4：对于每一个冲击点，找出健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量变化最大的传感器位置，并且将其和冲击点位置用直线连接；

S5：统计出监测区域直线最密集或者交叉最多的区域，这个区域就是损伤所在区域。

本发明的技术效果为：

1)结合EMD与支持向量机形成了一种动力学无损检测方法。

2)利用直线交叉最多的位置可清晰地判断损伤位置。

3)简单易行，便于现场指导复合材料板的无损检测。

附图说明

参照下面的说明，结合附图1至4，可以对本发明有最佳的理解。在附图中，相同的部分可由相同的标号表示。

图1一种复合材料板的无损检测方法流程图；

图2为复合材料板冲击测试测点布置图；

图3为复合材料板的第4阶IMF分量图：(a)健康；(b)有分层损伤；

图4为复合材料板的损伤定位图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及示例性实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的示例性实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的适用范围。

如图1所示的一种复合材料板的无损检测方法流程图，包括以下步骤：

S1：在复合材料板上设置测点，进行冲击测试，分别得到健康和有分层损伤复合材料板的应变信号。

参照图1，本实施例以激振器对复合材料板进行冲击试验。将复合材料板固定在两个刚性支架上，板的两端用钢条夹紧，以保证板受力均匀分布。在检测区域四个角落分别设置传感器和测试点，在检测区域的边上和内部按照试验条件和检测精度要求均布地布置传感器和测点。采用激振器产生脉冲激励，传感器的位置和数目可依据检测区域的结构和所需要的损伤定位精度进行选取。本实例中参数设置为：采样频率设置为1k Hz。

S2：通过EMD分解，对应变信号进行平稳化处理，获取应变信号的各个基本模式分量，提取第4阶IMF分量的能量贡献率作为损伤特征向量。

具体而言，包括以下步骤：

S2.a：根据Huang提出的终止准则，对采集到的应变信号进行EMD分解，得到应变信号的全部模式分量，其中健康和有分层损伤复合材料板的第4阶IMF分量分别如图3(a)和图3(b)所示；

S2.b：对于由每一组应变信号得到的模式分量，各个IMF分量的能量：

E_i＝∫|c_i(t)|²dt，i＝1，2，...，n   (2)

其中c_i(t)是第i阶模式分量，n是模式分量的数量。

所有IMF分量的总能量为：

$E=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i---\left(3\right)$

第i个IMF分量的能量贡献率为：

$R_i=\frac{E_i}{E}---\left(4\right)$

其中，提取第4阶IMF分量的能量贡献率作为损伤特征向量，表示为：

$R_4=\frac{\∫{\left|c_4\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\∫{\left|c_i\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

S3：将健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量作为训练样本，采用支持向量机进行训练，判定复合材料板是否出现损伤。

具体而言，包括以下步骤：

S3.a：将健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量作为训练样本，首先进行归一化处理：

$x_k^{\′}=(x_k-\stackrel{\‾}{x})/\mathrm{\σ}---\left(6\right)$

其中：

$\stackrel{\‾}{x}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k/n---\left(7\right)$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_k-\stackrel{\‾}{x})}^2/(n-1)}---\left(8\right)$

上式中n为传感器的个数。

S3.b：支持向量机的参数确定：支持向量机进行训练时，将健康的复合材料板定义为“0”，有分层损伤的复合材料板定义为“1”，所述向量机优选为BP神经网络；

S3.c：将应变信号输入到已经训练好的支持向量机中，具体损伤判定准则为：若输出结果为“1”，则判定复合材料板有分层损伤；若输出结果为“0”，则判定复合材料板健康。

S4：对于每一个冲击点，每一个传感器都分别可以得到健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量，找出其中两者相差最大的传感器，将其位置和冲击点位置用直线连接起来。

S5：统计出监测区域直线最密集或者交叉最多的区域，这个区域就是损伤所在区域。

将上述方法应用于具体的检测中，如图2-4所示，其中如图2所示的复合材料板，板厚约3mm，大小为40cm×40cm，板中心15cm×15cm的正方形区域为检测区域。将复合材料板固定在两个刚性支架上，板的两端用钢条夹紧，以保证板受力均匀分布。分别在检测区域的四个角(图4中的点1、3、7、9)粘贴FBG光纤光栅传感器。在检测区域均匀分布冲击点，如图4所示的点1到点9，共9个冲击点。采用激振器产生脉冲激励，对于每一个冲击点，分别得到健康和有分层损伤复合材料板的应变信号。

根据Huang提出的终止准则，对采集到的应变信号进行EMD分解，得到应变信号的全部模式分量，其中图3(a)是健康复合材料板的第4阶IMF分量，图3(b)是有分层损伤复合材料板的第4阶IMF分量。

提取第4阶IMF分量的能量贡献率作为损伤特征向量，并且将健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量作为训练样本，采用支持向量机进行训练，若输出结果为“1”，则判定复合材料板有分层损伤；若输出结果为“0”，则判定复合材料板健康。

对于每一个冲击点，每一个传感器都分别可以得到健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量，找出其中两者相差最大的传感器，将其位置和冲击点位置用直线连接起来。图4所示为损伤定位结果，其中圆圈包围区域为直线交叉最多的区域，判定为损伤区域，与实际相符。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复合材料板的无损检测方法，包括以下步骤：

S1：对健康和有分层损伤的复合材料板分别进行冲击测试，得到复合材料板的应变信号；

S2：通过EMD分解，对应变信号进行平稳化处理，获取应变信号的各个基本模式分量，提取第4阶IMF分量的能量贡献率作为损伤特征向量；

S3：将健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量作为训练样本，采用支持向量机进行训练，得到训练好的样本，将损伤状态未知的复合材料板的应变信号代入到训练好的样本中，判定复合材料板是否出现损伤；

S4：对于每一个冲击点，找出健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量变化最大的传感器位置，并且将其和冲击点位置用直线连接；

S5：统计出监测区域直线最密集或者交叉最多的区域，这个区域就是损伤所在区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤S2中具体包括以下步骤：

S2.a：对采集到的应变信号进行EMD分解，得到应变信号的全部模式分量；

S2.b：对于由每一组应变信号得到的模式分量，提取第4阶IMF分量的能量贡献率作为损伤特征向量，可以表示为：

$R_4=\frac{\∫{\left|c_4\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\∫{\left|c_i\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}},$

其中，c_i(t)是第i阶模式分量，n是模式分量的数量。

3.根据权利要求1所述的方法，所述步骤S3中具体包括以下步骤：

S3.a：将健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量作为训练样本，进行归一化处理；

S3.b：支持向量机的参数确定：支持向量机进行训练时，将健康的复合材料板定义为“0”，有分层损伤的复合材料板定义为“1”；

S3.c：将应变信号输入到已经训练好的支持向量机中，具体损伤判定准则为：若输出结果为“1”，则判定复合材料板有分层损伤；若输出结果为“0”，则判定复合材料板健康。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，优选的，所述步骤S4-S5中，判定准则为：对于每一个冲击点，找出健康和有分层损伤复合材料板的损伤特征向量变化最大的传感器位置，并且将其和冲击点位置用直线连接，统计出监测区域直线最密集或者交叉最多的区域，这个区域就是损伤所在区域，否则判定区域无损伤。

5.根据权利要求1所述的方法，所述复合材料为T300/epoxy-3231复合材料。