實(shí)驗(yàn)名稱：基于異常指數(shù)的鋁板損傷量化表征

研究方向：損傷量化

測(cè)試目的：

結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)與量化評(píng)估對(duì)于保障航空、航天、船舶、石油化工及兵器工業(yè)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義，受到了廣泛的關(guān)注。在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)范圍廣，速度快，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷敏感，安全方便，且成本低廉，在薄板構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)中具有良好的應(yīng)用潛力。

圖1：傳感信號(hào)時(shí)域損傷信號(hào)提取

超聲導(dǎo)波信號(hào)具有短程非平穩(wěn)性，且易受到外界干擾因素的影響，為了實(shí)現(xiàn)微弱缺陷信號(hào)的增強(qiáng)，許多研究者采用了時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦方法圳、相控聚焦方法、虛擬反轉(zhuǎn)聚焦法等來(lái)提高Lamb波信噪比、增強(qiáng)缺陷損傷信號(hào)，但這些技術(shù)不僅實(shí)際操作步驟復(fù)雜，而且在聚焦過(guò)程中容易出現(xiàn)其他的雜波，影響損傷檢測(cè)結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，原始損傷特征對(duì)初始損傷和細(xì)微退化趨勢(shì)的敏感度不高。單個(gè)損傷特征只能反映結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的部分或特定方面的狀態(tài)，無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行全面準(zhǔn)確的評(píng)估，而多域高維特征往往包含大量“冗余”信息不僅帶來(lái)“維數(shù)災(zāi)難”問(wèn)題，而且損傷狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性，因此，有必要在損傷敏感特征篩選的基礎(chǔ)上，通過(guò)特征融合以建立一個(gè)綜合損傷評(píng)估指數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一描述與準(zhǔn)確評(píng)估。因此，本文引入了基于自組織特征映射(self-organizingfeaturemapping，SOM)的敏感損傷特征融合方法，以構(gòu)建能夠全面評(píng)估鋁板損傷的統(tǒng)一指數(shù)。

測(cè)試設(shè)備：ATA-8202射頻功率放大器、信號(hào)發(fā)生器、激光測(cè)振動(dòng)儀、待測(cè)鋁板。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

為了更好的驗(yàn)證AI對(duì)鋁板損傷評(píng)估的優(yōu)越性，本節(jié)將通過(guò)鋁板彎曲疲勞循環(huán)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明，如下圖所示。由激發(fā)裝置產(chǎn)生的Lamb波在鋁板中傳播一定距離后被傳感器接收，其中實(shí)驗(yàn)材料為400mmx40mmx15mm的鋁板，無(wú)約束地平行放置在海綿塊上。由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器生成中心頻率500kHZ的10周期Lamb激勵(lì)信號(hào)，脈沖群被ATA-8202射頻功率發(fā)射器后傳遞至鋁板中，由全場(chǎng)掃描式激光測(cè)振儀接收。在彎曲疲勞次數(shù)為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9時(shí)，分別記錄導(dǎo)波信號(hào)的激發(fā)-接收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提取的18組特征參數(shù)。

圖2：鋁板曲疲勞循環(huán)試驗(yàn)的示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

為了對(duì)鋁板彎折損傷進(jìn)行一致性表征，采用30次同等測(cè)試條件下獲得的無(wú)損信號(hào)的敏感特征向量作為訓(xùn)練樣本，建立SOM模型，繼而計(jì)算各個(gè)彎折損傷板的異常指數(shù)。結(jié)果如下圖（a）所示。可見(jiàn)，本文提出的異常指數(shù)與鋁板彎折次數(shù)間具有更好的線性相關(guān)性。為了驗(yàn)證基于SOM的AI對(duì)損傷狀態(tài)評(píng)估的優(yōu)越性，以無(wú)損狀態(tài)下的30次測(cè)量得到的敏感特征的平均值組成的特征向量為無(wú)損基準(zhǔn)，采用損傷狀態(tài)下的F到基準(zhǔn)的歐氏距離作為損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如下圖（b）所示，從下圖（a）可以看出，AI值隨彎曲疲勞次數(shù)線性增加，且AI值分散在擬合曲線的兩側(cè)，與疲勞彎曲次數(shù)間的線性相關(guān)性較高。下圖（b）中，盡管基于歐氏距離的損傷值具有隨彎曲次數(shù)增加而增加的趨勢(shì)，但損傷值大多分散在擬合曲線的下方，與彎曲次數(shù)的線性相關(guān)度較差，對(duì)損傷演化的敏感性較差。圖（a）中AI指數(shù)與彎曲次數(shù)間較好的線性相關(guān)性驗(yàn)證了AI指數(shù)對(duì)鋁板彎折損傷程度具有較好的量化表征能力，證實(shí)了其表征鋁板疲勞損傷的有效性與敏感性。

圖3：鋁板量化評(píng)估結(jié)果

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯黃宇