復合材料盒段沖擊損傷的成像優化

張 華, 張倩昀, 寧 寧

(1.中國飛機強度研究所, 西安 710065；2.西安航空學院 電子工程學院, 西安 710077)

復合材料盒段結構是機翼的典型結構形式,大面積的盒段結構在日常使用和維護過程中容易受到沖擊，產生這些沖擊的原因有維護過程中工具掉落、冰雹的撞擊、起降時的碎石沖擊等。

常規基于壓電傳感器和蘭姆波的健康監測方法主要有：損傷因子方法和損傷概率成像方法。損傷因子方法相對簡單，但往往無法直觀地給出損傷的具體位置信息。近年來，國內外學者的研究主要集中在基于壓電傳感器陣列和Lamb波的損傷成像方法上，這些方法主要包括：延遲-累加成像方法[1]、時間反轉成像方法[2]、超聲相控陣成像方法[3]和概率成像方法[4]等。這些成像算法往往在實驗室條件下可以獲得比較精準的定位結果。由于試驗現場的電壓不穩定以及結構中可能存在殘余應力，就會在不同程度上影響信號的穩定性。

筆者提出了一種采用雙基準的概率成像方法，該方法將由于環境因素引起的信號變化加入到概率成像的方法中，可以在一定程度上補償健康監測信號不穩定的影響，得出更為精確的損傷定位結果。

1 雙基準概率成像方法原理

1.1 損傷概率成像方法

損傷概率成像方法的基本思想是：當某一激勵-傳感路徑的Lamb波信號與基準信號相比有變化時，認為這一激勵-傳感路徑上可能有損傷發生；損傷存在的概率與信號的變化成正比，且損傷存在的概率以激勵器和傳感器為焦點的橢圓狀分布，橢圓焦點連線上損傷存在的可能性最大，然后隨著橢圓短軸的延長，損傷存在的可能性越來越小。損傷概率成像方法的損傷概率分布如圖1所示。

圖1 損傷概率成像方法的損傷概率分布

之后將監測區域劃分為統一大小的網格，假設監測網絡總共有N條激勵-傳感路徑，則在網格(x,y)處損傷存在的可能性如式(1)所示。

(1)

式中：DI,i為第i條激勵-傳感路徑的損傷因子;Wi[Ri(x,y)]為第i條激勵-傳感路徑的權重分布函數。

Ri(x,y)為網格位置(x,y)到第i條激勵-傳感路徑的相對距離，其可以表示為

(2)

式中：Di為第i條激勵-傳感路徑的激勵器和傳感器之間的距離；Da,i(x,y)和Ds,i(x,y)分別為第i條激勵-傳感路徑的成像點(x,y)與激勵器和傳感器之間的距離。

權重分布函數Wi[Ri(x,y)]要求當相對距離Ri(x,y)增加時，其值要減小且遵循橢圓分布，因此Wi[Ri(x,y)]可以表示為

(3)

式中：β為控制損傷指數DI,i影響分布區域大小的比例參數。

1.2 損傷因子方法

典型的損傷因子如互相關損傷因子[5]、能量損傷因子[6]等，在計算中通過對比結構損傷前后信號的變化來表征該通道的損傷程度。在試驗現場的測試中，結構中的殘余應力、溫度變化等因素的影響會使得基準信號本身發生變化，結構中1-3通道及3-1通道在測試過程中的兩組基準信號及一組損傷信號如圖2，3所示。其中，1-3通道兩組基準信號的幅值未發生較大的變化，而3-1通道的兩組基準信號的幅值和相位均發生了較大的變化。如果采用典型的損傷因子方法容易對是否存在損傷及損傷大小產生誤判。

圖2 基準信號不存在明顯能量變化的通道(1-3通道)

圖3 基準信號不存在明顯能量變化的通道(3-1通道)

需要在計算損傷因子的過程中，綜合考慮上述環境影響導致的基準信號的幅值及相位的變化。原先的能量損傷因子為

(4)

式中：D(t)為損傷信號;H(t)為健康信號。

基于此能量損傷因子的方法，未考慮環境因素導致的健康信號本身存在的不穩定性。文中提出的方法如式(5)所示。

(5)

式中：H0(t)為對比基準健康信號。

通過將兩次結構一致條件下的信號相減得出在不存在損傷情況下的信號本身的能量變化。這樣就可以在一定程度上避免基準信號的不穩定導致的損傷誤判。

2 概率成像方法試驗驗證

圖4為高承載復合材料盒段結構及相應的壓電傳感器布置，紅色方框區域為壓電傳感器的布置位置，白色圓形區域為通過無損檢測方法實際檢測得出的損傷位置。傳感器橫向布置間距為80 mm，縱向布置間距為90110 mm。試驗共設置了A1A4，B1B4，C1C2，D1D2，共12個沖擊位置。其中，A1A4，B1B4及C1C2分別進行兩次能量為10 J和5 J的沖擊試驗，D1D2只進行一次8 J的沖擊試驗。另外,在C1C2處模擬一個傳感器存在失效的情況，在D1D2處模擬沖擊損傷發生于傳感器邊界的情況。試驗中共涉及沖擊損傷22個。試驗設備為美國ACCELLENT公司研發的集成式多通道壓電結構健康監測系統。試驗選取激勵信號的中心頻率為150 kHz，信號采樣率為48 MHz，采樣長度為10 000個點。

圖4 高承載復合材料盒段結構及相應的壓電傳感器布置

通過選取區域內4個壓電傳感器，構成1個含有6個激勵傳感器路徑的監測區域。在區域內采集兩次結構健康監測條件下的基準信號，在結構中產生沖擊損傷后再采集含損傷的壓電傳感信號。圖57給出了A1_5J,D2_8J,B4_10J這3組典型沖擊位置及沖擊載荷下的定位結果，其中A1,B4沖擊位置位于(46，50)和(40，54)，D2沖擊位置位于(0，46)。

從圖57可以看出,A1_5J定位結果修正前后變化不大，但是D2_8J及B4_10J的定位結果在采用算法進行修正前后存在比較明顯的差異，其中D2_8J的未修正結果成像點偏向右下角，這是因為1-2傳感器通道的健康基準信號波動引起了損傷的誤判。而B4_10J的成像結果點則偏向左上角，這也是因為1-3通道健康基準信號波動引起了損傷的誤判。通過對上述22個沖擊點進行分析，采用傳統的概率成像方法，其正確定位的概率為68%，而采用基于雙健康基準的概率成像方法的損傷定位精度達到82%。

圖5 損傷概率成像算法A1_5J定位結果

圖6 損傷概率成像算法D2_8J定位結果

圖7 損傷概率成像算法B4_10J定位結果

3 結語

(1) 采用概率成像算法可以實現復合材料中的沖擊損傷定位。

(2) 傳統的概率成像算法容易受到環境因素的影響，其定位結果存在偏差。采用文中所述的方法可以實現環境因素導致的定位誤差的改進。