基于空间滤波器的三明治装甲复合材料结构损伤监测研究_张猛.pdf

北大中文核心期刊国外电子测量技术 D O I:1 0.1 9 6 5 2/j.c n k i.f e m t.2 2 0 4 3 9 0基于空间滤波器的三明治装甲复合材料结构损伤监测研究张 猛 江 剑 高 尚 张子瑞(南京理工大学机械工程学院 南京 2 1 0 0 9 4)摘 要:三明治装甲复合材料因其大厚度多层多种复合材料结构导致难以准确获得L a m b波在结构中的传播速度,给损伤监测的准确性带来较大难度,而基于空间滤波器的结构健康监测技术能够在不依赖L a m b波传播速度的情况下进行损伤定位。基于此,利用空间滤波器损伤定位的方法,针对由氧化铝陶瓷,T 7 0 0碳纤维,T C 4钛合金3种材料构成的5 mm厚度的三明治装甲复合材料,在表面布置两组压电传感器阵列获得损伤相对于传感器阵列的角度,再利用公式计算出损伤位置。实验结果表明,该方法能够实现对5 mm厚度的三明治装甲复合材料进行损伤定位,且定位误差在1 c m以内。关键词:结构健康监测;装甲复合材料;空间滤波器;L a m b波;损伤定位中图分类号:T G 1 1 5.2 8文献标识码:A国家标准学科分类代码:5 1 0.4 0 1 0R e s e a r c h o n d a m a g e m o n i t o r i n g o f s a n d w i c h a r m o r c o m p o s i t e s t r u c t u r e b a s e d o n s p a t i a l f i l t e rZ h a n g M e n g J i a n g J i a n G a o S h a n g Z h a n g Z i r u i(S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a n j i n g 2 1 0 0 9 4,C h i n a)A b s t r a c t:S a n d w i c h a r m o r c o m p o s i t e i s d i f f i c u l t t o a c c u r a t e l y o b t a i n t h e p r o p a g a t i o n v e l o c i t y o f L a m b w a v e s i n t h e s t r u c t u r e d u e t o i t s l a r g e t h i c k n e s s,m u l t i-l a y e r a n d m u l t i p l e c o m p o s i t e s t r u c t u r e s,w h i c h b r i n g s g r e a t d i f f i c u l t y t o t h e a c c u r a c y o f d a m a g e m o n i t o r i n g.T h e s t r u c t u r e h e a l t h m o n i t o r i n g t e c h n o l o g y b a s e d o n s p a t i a l f i l t e r c a n l o c a t e t h e d a m a g e w i t h o u t r e l y i n g o n t h e s p e e d o f L a m b w a v e s.B a s e d o n t h i s,u s i n g t h e s p a t i a l f i l t e r d a m a g e l o c a t i o n m e t h o d,f o r a s a n d w i c h a r m o r c o m p o s i t e w i t h a t h i c k n e s s o f 5 mm c o m p o s e d o f a l u m i n a c e r a m i c,T 7 0 0 c a r b o n f i b e r a n d T C 4 t i t a n i u m a l l o y.T w o s e t s o f p i e z o e l e c t r i c s e n s o r a r r a y s a r e a r r a n g e d o n t h e s u r f a c e t o o b t a i n t h e a n g l e o f d a m a g e r e l a t i v e t o t h e s e n s o r a r r a y s,a n d t h e n u s e t h e f o r m u l a t o c a l c u l a t e t h e d a m a g e l o c a t i o n.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e m e t h o d c a n l o c a t e t h e d a m a g e o f s a n d w i c h a r m o r c o m p o s i t e s a n d t h e p o s i t i o n i n g e r r o r i s w i t h i n 1 c m.K e y w o r d s:s t r u c t u r e h e a l t h m o n i t o r i n g;a r m o r c o m p o s i t e s;s p a t i a l f i l t e r;L a m b w a v e;d a m a g e l o c a l i z a t i o n 收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 60 引 言自2 0世纪6 0年代以来,装甲材料向着“高强度、高硬度、高韧性、低密度”的方向发展1。由抗弹陶瓷材料为面板,金属材料为背板,夹层采用复合材料形成的三明治装甲复合材料具有高硬度、高防弹性能、低密度等特点满足了现代化的需求2-3。不过在层合装甲复合材料的长期使用中,很容易造成内部分层、基体开裂和纤维断裂等损伤,降低材料的性能和疲劳强度4,如果没有及时发现和维修,会带来严重的安全隐患,所以对三明治装甲复合材料的损伤监测具有重要意义。基于L a m b波的结构健康监测技术通过在结构上粘贴压点传感器,采集并分析L a m b波在结构中的响应信号进行损伤监测,具有对结构损伤敏感、监测范围大等优点,广泛应 用 于 复 合 材 料 损 伤 监 测 研 究5-6。杨 宇 等7在2 mm厚的T 3 0 0/B A 9 9 1 6碳纤维增强环氧树脂基复合材料中,利用结构损伤概率曲线测定方法进行复合材料分层损伤监测研究。王丹宏等8利用L a m b波的能量和飞行时间计算各通道损伤因子监测碳纤维复合材料的疲劳损伤。但是,以上方法均是对单一或两种材料复合形911 国外电子测量技术北大中文核心期刊成的小厚度结构进行监测。然而,多层结构的复合靶9、层状装甲复合材料1 0的厚度达到了5 mm以上。对于三明治装甲复合材料这种多层大厚度结构,多层材料之间层向横应力的不连续性会带来波速方向性变化,较大厚度导致L a m b波信号多模态和频散现象更加严重并且加重监测信号的衰减程度,导致很难准确获得L a m b波在三明治装甲复合材料中的传播速度,给损伤监测带来了困难。基于空间滤波器的结构健康监测技术利用L a m b波在结构中传播时的空间-波数域特征,通过设置空间权重函数进而对特定空间方位的L a m b波信号进行滤波,进而获得声源相对于压电传感器阵列的角度,能够在不依赖L a m b波传播速度的情况下进行损伤定位1 1,避免了波速变化对损伤监测的影响。E n g h o l m等1 2在铝板上利用一种自适应波束形成技术的空间滤波器,能够抑制L a m b波多模式对损伤定位的影响。王瑜1 3在2 mm厚度的碳纤维复合材料上利用基于H i l b e r t变换的空间滤波器损伤成像方法,将空间滤波器算法应用到了复合材料结构损伤监测当中。为解决三明治装甲复合材料由于大厚度带来的L a m b波信号多模态和频散更加严重,导致难以准确进行损伤定位的问题,本文利用空间滤波器算法,得到损伤相较于两组压电传感器阵列的角度再根据角度计算出损伤的位置坐标,从而实现5 mm厚度的三明治装甲复合材料的损伤定位,降低了三明治装甲复合材料由于大厚度带来的损伤监测难度。1 损伤定位原理1.1 空间滤波器算法原理在三明治装甲复合材料结构表面上布置M个等间距压电传感器线性阵列,将线性阵列的中心点作为原点,线性阵列的轴线作为x轴建立二维直 角 坐标 系,如图1所示。图1 空间滤波算法原理由图1可知,从左到右将各个压电传感器编号为1,2,m,M,两个相邻传感器之间的中心距离为x,在结构(x,y)(未知量)处有一个声源激发L a m b波信号,中心频率为c,声源相对于压电传感器阵列中心的角度为a,距离为La。在t时刻时,传感器阵列采集的空间域信号可表示为:f(x)=f(x1,t),f(x2,t),f(xm,t),f(xM,t)(1)其中:f(xm,t)=ei(-ka|La-Xm|)=eie-ika|La-Xm|(2)|La-Xm|=L2a+x2m-2Laxmc o sa(3)xm=(2m-1-M)x2(4)式中:ka和分别为声源激发出的L a m b波的波数和相位;La为声源位置到传感器阵列中心的距离La的矢量;Xm为m号压电传感器的x轴坐标xm的矢量。在式(1)中将空间滤波权重函数(xm)添加给各个压点传感器信号,类比时间-频率域信号滤波器,如式(5)所示。H(t)=1MMm=1(xm)f(xm,t)(5)构造空间滤波权重函数为:(xm)=c o s(kxxm)+i s i n(kxxm)(6)式中:kx为线阵空间采样波数,kx=km a xc o sa,km a x为传感器阵列的最大滤波波数,根据空间采用定理,km a x=/x。对式(6)进行空间-波数域变换:(k)=-+eikxxeik xdx=2(k-kx)(7)式中:(k-kx)=1,k=kx0,kkx从式(7)可以看出,波数为k=kx的信号可以通过式(6)构造的空间滤波权重函数(xm),而其他波数的信号则不能通过。根据式(5)和(6),基于一维传感器线性阵列对于角度滤波的空间滤波器响应合成信号为:H(,t)=1MMm=1c o s(km a xxmc o s)+i s i n(km a xxmc o s)f(xm,t)(8)实验中,为了避免复数运算,而采集的L a m b波信号形式为实数,使用H i l b e r t变换构建L a m b波信号f(xm,t)的解析信号(复信号)z(xm,t):z(xm,t)=f(xm,t)+if(xm,t)(9)根据式(8)和(9),基于一维传感器线性阵列对于角度滤波的空间滤波器响应合成信号为:H(,t)=1MMm=1c o s(km a xxmc o s)+021北大中文核心期刊国外电子测量技术 i s i n(km a xxmc o s)z(xm,t)(1 0)根据式(1 0)可知,设置=0 1 8 0 为空间滤波角度,为分辨率,利用空间滤波器算法对结构上的监测区域进行运算,得到角度-时间的结构损伤图像,整体数据处理流程如图2所示。最后再对所有目标点的像素值进行归一化处理,当目标单元点是损伤所在处时,幅值相较于非损伤目标单元点处大,随后