T300碳纖維復合材料損傷聲發射信號的有監督模式識別

李　偉,李英年,蔣　鵬,王　驍

(東北石油大學 機械科學與工程學院, 大慶 163318)

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T300碳纖維復合材料損傷聲發射信號的有監督模式識別

李偉,李英年,蔣鵬,王驍

(東北石油大學 機械科學與工程學院, 大慶 163318)

摘要：對T300碳纖維復合材料板拉伸斷裂過程進行了聲發射監測。在試驗和漸進損傷分析的基礎上，應用K-means聚類判定了[0°/90°]14T300碳纖維復合材料板拉伸斷裂信號的失效形式，并對該聚類模型進行了有監督的訓練和測試，將其應用到相似未知損傷信號中，很好地完成了模式識別。試驗結果為今后實時監測碳纖維復合材料損傷提供了科學依據。

關鍵詞：碳纖維復合材料；聲發射；K-means；有監督模式識別

碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)具有強度高、抗熱沖擊性好，比重小等優點，而廣泛應用于航空航天、能源、軍事等尖端領域。在其服役過程中可能會因疲勞振動、摩擦、撞擊等原因出現基體開裂、分層、纖維斷裂等損傷。這些損傷可能導致不可估量的經濟損失或人員傷亡[1]。因此，準確預測碳纖維復合材料損傷具有重要意義。

聲發射是指材料或構件內部因應力超過屈服極限而進入不可逆的塑性變形階段或有裂紋形成和擴展、斷裂時快速釋放出應變能而產生瞬態應力波的現象[2]。該技術可通過材料或構件釋放的應力波診斷出損傷狀況，已經成為一種研究復合材料損傷失效的重要無損檢測手段[3]。

筆者對碳纖維復合材料拉伸斷裂過程進行分析，在無監督模式下對損傷聲發射信號進行最優聚類，判定損傷信號失效模式；然后，對分類模型進行有監督模式訓練，并將其應用于未知碳纖維復合材料損傷信號。結果可為實時監測碳纖維復合材料損傷提供更準確、客觀的依據。

1有監督模式識別

模式識別可分為無監督模式識別和有監督模式識別。無監督模式識別，是針對樣本進行研究,根據樣本間的相似度進行最優的分類建模。無監督模式識別的典型例子就是聚類，聚類的目的在于把相似的樣本聚在一起。有監督模式識別，是通過對已知樣本的分類，訓練得到一個分類模型，從而實現對未知樣本分類的目的[4]。模式識別的流程示意如圖1所示。

圖1　模式識別流程示意

有監督模式識別的一般步驟為：

(1) 訓練分類器

選取一組已知類別的樣本作為訓練集，應用最優分類模型對訓練集進行分類訓練進而得到分類器。

(2) 分類測試

選取另一組已知類別的樣本作為測試集，將訓練所得分類器應用于測試集測試識別率，若識別率符合要求即分類器有效，否則分類器無效。

(3) 模式識別

將測試有效的分類器應用于未知樣本進行分類識別。

2試驗過程

2.1　試件制備

試件采用日本東麗公司生產的T300型環氧樹脂基碳纖維復合材料層合板(以下簡稱T300碳纖維復合材料板)，機械加工成I型長條試件，鋪層結構分別為[-45°/45°]14和[0°/90°]14。試件的形狀、尺寸以及數量參照GB/T 1040.4-06《塑料拉伸性能測定 第4部分：各向同性和正交各向異性纖維增強復合材料的實驗條件》進行制備。試件尺寸示意如圖2所示。

圖2　試件尺寸示意

2.2　試驗裝置及過程

T300碳纖維復合材料板拉伸試驗系統由CMT-5000萬能試驗機、PCI-2聲發射檢測儀、WD傳感器、2/4/6前置放大器等組成。試驗時將傳感器固定在試件上，采用鉛芯斷裂法(QJ2914-97《復合材料結構件聲發射檢測方法》)標定。T300碳纖維復合材料板拉伸試驗裝置如圖3所示，拉伸試驗時以1 mm·min-1的速率對試件進行連續加載直至試件破壞失效，采集拉伸斷裂過程中的聲發射信號并記錄試件破壞形式。

圖3　拉伸試驗裝置結構示意

3結果分析與討論

3.1　層合板損傷模式分析

對兩種鋪層方式的T300碳纖維復合材料板的拉伸斷裂過程進行漸進損傷分析，研究拉伸過程試件損傷破壞情況。

[-45°/45°]14T300碳纖維復合材料板損傷形式有兩種：基體開裂和界面分層。如圖4(a)、(b)所示，[-45°/45°]14試件失效過程中，剪切破壞起主要作用，受力方向同碳纖維鋪層方向一致。基體一旦失效，面內與纖維垂直方向的承載力迅速降低，逐漸出現基體與纖維分離現象，繼而發生分層損傷。

[0°/90°]14T300碳纖維復合材料板損傷形式有三種：基體開裂、界面分層和纖維斷裂。如圖4(c)、(d)所示，加載初期，90°鋪層方向，碳纖維因其良好的抗拉性能抑制了基體裂紋的產生和擴展。而0°鋪層方向，基體作為主要載體，界面隨著載荷增大逐漸產生裂紋;當外力超過其承受極限時，裂紋發生擴展，最終基體與碳纖維分離。由于試件邊緣碳纖維只有單側粘合，纖維損傷最易從此處開始，其隨著載荷增加而與周圍碳纖維發生分離，之后斷裂且損傷逐漸向中間擴展。

圖4　不同纖維鋪層方式T300碳纖維復合材料板基體拉伸失效圖

對[-45°/45°]14和[0°/90°]14T300碳纖維復合材料板損傷試件進行光學顯微觀察(見圖5)，[-45°/45°]14試件僅出現基體開裂和界面分層損傷；[0°/90°]14試件出現明顯的纖維斷裂、基體開裂和界面分層損傷。觀察結果與模擬分析一致，確定了各試件的損傷失效模式，后文將以此為分類依據對損傷聲發射信號進行模式識別。

圖5　T300碳纖維復合材料板損傷試件的光學顯微圖

3.2　損傷信號K-means聚類

[0°/90°]14T300碳纖維復合材料板拉伸斷裂過程中包括了3種損傷形式，因此，以[0°/90°]14試件損傷信號為樣本進行聚類分析。分析信號參數間的相關性，如圖6所示，能量、信號強度、振鈴計數、持續時間、上升時間和峰值數量間相關性較強。其中振鈴計數與能量的相關性最強，創建振鈴計數-能量頻散圖，以能量、振鈴計數、持續時間、振幅、峰值數量和上升時間為提取特征，對數據進行前處理。

圖6　損傷信號參數相關圖

在無監督模式下應用K-means算法對損傷聲發射信號進行聚類分析[5]，將數據分為3類，如圖7所示。添加振鈴計數-振幅，振鈴計數-上升時間，時間-振鈴計數頻散圖輔助分析聚類的有效性，根據碳纖維復合材料板力學性能和拉伸斷裂損傷失效機制判定：0類為基體開裂信號，1類為纖維斷裂信號，2類為界面分層信號。從圖中可看出,基體開裂信號在拉伸的整個過程中一直存在，拉伸開始一段時間后出現界面分層，最后是纖維斷裂，并且基體開裂信號事件多、能量最小，纖維斷裂信號事件少、能量最強。分類與預期聚類相符，最優聚類模型完成。

圖7　[0°/90°]14試件損傷信號聚類分析圖

3.3　損傷信號有監督模式識別

對最優聚類模型進行有監督訓練和測試。將樣本所用[0°/90°]14試件損傷信號分為2組，奇數信號樣本作為訓練集，偶數信號樣本作為測試集。在有監督模式下，按照上述方法對信號進行特征參數提取和K-means聚類，從而完成訓練。對測試集分類結果進行對比分析(見圖8)：44 814個基體開裂信號中23個被識別為界面分層信號；17個纖維斷裂信號完全識別正確；2 703個界面分層信號中26個被識別為基體開裂信號。對破壞后果最嚴重的纖維斷裂信號識別效果最好，識別率100%；對前期損傷——界面分層、基體開裂信號識別略差，但識別率也達到了99.0%和99.9%，信號總體識別率為99.9%，因此有監督訓練有效,聚類模型可用于未知數據模式識別。

圖8　有監督模式識別測試結果圖

將有監督模式識別模型應用于其他[-45°/45°]14、[0°/90°]14試件損傷信號。5組[-45°/45°]14試件損傷信號均被分為兩類(見圖9)：0類和2類，即基體開裂和界面分層信號；其余4組[0°/90°]14試件損傷信號均被分為3類(見圖10)：基體開裂、界面分層和纖維斷裂信號。可見，信號聚類特性與無監督模式下聚類特性一致。因此，有監督模式識別有效，能有效識別未知碳纖維復合材料的拉伸斷裂損傷信號。將此有監督模式識別模型應用于聲發射實時監測碳纖維復合材料拉伸斷裂損傷，能及時識別試件損傷模式，預測試件失效。

圖9　[-45°/45°]14試件損傷信號有監督模式識別圖

圖10　[0°/90°]14試件損傷信號有監督模式識別圖

4結論

通過漸進損傷分析和微觀研究確定了碳纖維復合材料拉伸斷裂過程的損傷失效機制。應用有監督模式識別碳纖維復合材料拉伸損傷聲發射信號，能有效識別基體開裂、界面分層、纖維斷裂等損傷信號，為實現實時監測預判碳纖維復合材料損傷失效提供了更準確、客觀的依據。

參考文獻:

[1]付濤.新型光纖傳感器及其在纖維復合材料的聲發射源定位研究[D].哈爾濱.哈爾濱工業大學, 2014.

[2]ENNACEUR C, LAKSIMI A, HERVE C, et al. Monitoring crack growth in pressure vessel steel by the acoustic emission technique and the method of potential difference[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2006,83(1):197-204.

[3]朱斌，何鵬飛，朱路，等. 多元高分子復合材料在旋轉接頭中的應用研究[J].流體機械,2013,41(11):52-55.

[4]西奧多里蒂斯. 模式識別[M].北京 :機械工業出版社, 2003:6-7.

[5]李偉，付玉，蔣鵬，等.基于K均值聚類的FRP復合材料容器損傷聲發射信號模式識別[J]. 壓力容器, 2014,14 (8) : 15-19.

The Supervision Pattern Recognition of AE Signals of T300

Carbon Fiber Composite Material Damages

LI Wei, LI Ying-nian, JIANG Peng, WANG Xiao

(College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Abstract：The acoustic emission technology (AE) was used to monitor the tensile failure process of T300 carbon fiber composite material plate. Based on the test and progressive damage analysis,K-means clustering was applied to determine failure pattern of tensile damage signals of [0°/90°]14T300 carbon fiber composite material plate，and the clustering model was trained and tested under the supervision. The classification model was applied to the other similar data,and signals were well sorted.The above-mentioned method can thus provide a scientific basis for real-time monitoring of failure of carbon fiber composites .

Key words:Carbon fiber composite material; Acoustic emission; K-means; Supervision pattern recognition

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)02-0009-05

DOI:10.11973/wsjc201602003

作者簡介：李偉(1970-)，男，副院長，教授，博士生導師，主要研究方向為聲發射檢測與評價、現代檢測技術。

基金項目:國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH28F03)

收稿日期：2015-07-29