復合材料層合板裂紋損傷智能診斷系統的研究

王基月 李寧 賀躍進

摘 要 專家系統是人工智能的重要應用領域，智能診斷是專家系統的一個類型。復合材料層合板出現故障時，材料內部能量的變化對外表現為明顯的動態特性的變化，由此推斷系統的故障所在，得到診斷策略，形成知識規則，建立知識庫，構建智能診斷系統，實現復合材料故障的智能化診斷。

關鍵詞 智能診斷 動態特性 診斷策略 知識庫

中圖分類號：TB33文獻標識碼：A

Research on Intelligent Diagnosis System of

Composite Laminates Crack Damage

WANG Jiyue[1], LI Ning[2], HE Yuejin[3]

([1] Zhengzhou Yutong Heavy Industries Construction Crane Institute, Zhengzhou, He'nan 450051;

[2] Zhengzhou Jiaotong University, Zhengzhou, He'nan 450062;

[3] Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, He'nan 450002)

Abstract Expert system is an important application areas of artificial intelligence, intelligent diagnosis is a type of expert system. Composite laminate failure, material changes in internal energy of the external performance of significant changes in the dynamics, where the failure to infer the system, get diagnostic strategies, the formation of knowledge and rules, building a knowledge base, build intelligent diagnosis system to achieve complex fault diagnosis of intelligent materials.

Key words intelligent diagnosis;dynamic characteristic; diagnostic strategy; knowledge base

0 引言

復合材料具有比強度高、比剛度大、可設計性強及良好的抗疲勞損傷和耐腐蝕性能的優點，已在航空航天、機械電子、生物醫學、建筑、土木工程、交通運輸等各個領域發揮重要作用，隨著科學研究技術的進一步發展，各領域的使用比例逐年增大。①

在工程結構領域中，壓電智能材料與彈性材料分層鋪設，復合成一種新的智能材料，當外界條件改變時，智能材料被驅動, 智能材料就可以帶動整個結構發生形變。②③

復合材料雖然性能優越，但其制造工藝和材料本身的性能特點，使得復合材料及其構件在制造過程產生缺陷，在使用過程中受到損傷， 本身的缺陷和外環境的加劇導致裂紋擴展，致使復合材料基體破壞或層間開裂（如圖1所示），從而影響復合材料的機械性能，降低使用壽命。智能材料具有復雜的微結構和多種增強相混雜、多物理場的耦合，多場耦合往往表現出組分材料所沒有的附加特性，但是某些具有耦合性能的材料的力學性能表現出脆性、易斷裂等缺陷。④⑤復合材料大多用于外環境比較惡劣的場合，而這些缺陷和損傷難免在使用過程中累積，一旦出現事故，將造成巨大的經濟損失。因此研究適合復合材料本身特性的智能化診斷策略勢在必行。

鑒于復合材料種類的多樣化，設計結構及制造中的缺陷和工作過程中損傷的產生、累積，現有檢測方法的局限性及檢測者水平的高低等因素的影響，都給安全、經濟、有效的使用復合材料帶來了很大的障礙，而智能化診斷的專家系統綜合處理了多個專家的經驗，為缺少實際經驗者提供所需經驗并實現決策過程的自動化及友好的人-機界面，這樣智能化的診斷系統在研究和應用中顯得更為迫切和重要。

為實現復合材料層合板典型損傷的智能診斷，必須把從試驗中得到的診斷策略寫成知識規則的形式，構成診斷知識庫，在此基礎上構建診斷專家系統，可以實現計算機智能診斷。

1 智能診斷系統

專家系統(Expert System)作為人工智能(AI)的一個重要分支，它是一種能像某一領域專家那樣向用戶提供解決問題方法的計算機應用系統。⑥⑦專家系統的一個顯著優點⑧是能夠為最終的結論提供整個推理過程的解釋，用戶就可以了解、分析、判斷系統推理的正確性。專家系統有很多優點：充分發揮專家經驗的優勢、有效處理組合問題、減少故障頻率、提高可靠性并加快響應時間等等。專家系統技術在日本工業界得到了廣泛的應用，像質量診斷、混凝土開裂診斷、材料設計等。⑨診斷是專家系統的一個類型，是根據觀測數據，推斷系統的故障所在。通過對檢測數據的分析和處理，得到診斷策略，構成知識庫（如圖2所示）。

根據本課題已經研究的初步成果：復合材料層合板裂紋診斷的實驗研究，⑩可以建立復合材料層合板典型損傷的知識庫。

2 診斷策略

根據前述研究成果的頻域分析和小波分析(如圖3所示)得到的結論，總結得到復合材料層合板裂紋損傷的診斷策略。首先排除生產過程中缺陷的影響，即認為材料是處于完全的健康狀態。此后由于外部工況環境的影響，材料的內部結構會發生變化，形成一些初始的損傷。

基于復合材料的動態特性十分敏感，結合實驗研究從動態特性入手，給出以下診斷規則：（1）幅值，當基頻上升且系統的振幅有規律下降時，初步認為結構內部產生了微裂紋。（2）相位，當相位有負方向的移動，出現新的高頻分量，幅頻曲線出現毛刺，斷定已經產生裂紋。（3）對測試信號進行頻域分析和小波分析，以此確定裂紋損傷的置信度。

在微裂紋產生的基礎上裂紋將逐步擴展，此時材料的應變硬化作用消失，材料的剛度損失增強。因此，復合材料的微裂紋擴展到一定程度后，系統的幅值逐漸增大，基頻向低方向移動。當系統的幅頻響應和相頻響應均出現不穩定現象時，可以判定材料已經失效。

3 診斷知識庫

以上診斷策略可以寫成知識規則的形式，構成診斷知識庫，在此基礎上構建診斷專家系統，以實現智能診斷。

專家系統的關鍵是知識庫，即知識庫中知識規則的質量和數量決定著專家系統的質量水平。

知識庫中的知識必須表示為規范形式。常用產生式規則表示法。其基本形式如下：IF<條件1><條件2>……THEN<結論1><結論2>……其中條件是已有的數據，由條件到結論的過程即是模擬人類專家的思維過程。

產生式規則具有與人類思想方式接近的特點，能有效、簡潔地表達領域知識,是專家系統應用中最廣泛的知識表達方式。

為實現復合材料層合板典型損傷的計算機智能診斷，采用Delphi語言，將上述診斷策略寫成了IF…THEN…結構的產生式規則，為以后研制智能診斷專家系統打下了基礎。

4 結語

實驗研究中依據層合板內部能量的變化表現為明顯的動態特性推斷出復合材料層合板的裂紋損傷的所在，形成診斷策略，列寫知識規則和建立知識庫等，這些為復合材料在使用過程中在線診斷、故障分析與預測維護打下了堅實的基礎。然而專家系統中知識獲取的不確定性、專家經驗的不一致性，特別是開發專家系統所需的費用和時間是兩個重要的影響因素，因此有待于進一步的研究。

注釋

① 沈軍,謝懷勤.先進復合材料在航空航天領域的研發與應用[J].材料科學與工藝,2008.16(5):737-740．

② Tauchert TR, Ashida F, Noda N, et al. developments in thermopiezoelasticity with relevance to smart composite structures. Composite Struotures,2000.48:31-38．

③ Lombardi AV. Technological ptimization of a smart ther-mosetting aeronautical composite subject to fatigue bend-ing loadings. Progress in aerospace Science,2003.39:385-404．

④ 楊慶生,劉健.智能復合材料的應用與力學研究進展[J].力學與實踐,2008.30(6):15-16.

⑤ 閆國良,張元卿,劉興宇.民用飛機復合材料結構維修大綱的制定[J]．民用飛機設計與研究,2008(3):17-18．

⑥ E·麗奇.人工智能引論[M].廣州:廣東科技出版社,1986．

⑦ 朱福喜,湯怡群,傅建明.人工智能原理[M].武漢:武漢大學出版社,2002．

⑧ Galbraith L,AL-Najjar M， Babu A J G. Expert system in engineering [J].IEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,1988.3(2):12-14.

⑨ 許力.智能控制與智能系統[M].北京:機械工業出版社,2007.

⑩ 賀躍進,張恒.復合材料層合板裂紋診斷的實驗研究[J].2008(2):23-25.