徐 浩，王中樞，馬寅魏，張佳奇，李建樂，范興華，武湛君

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；2.北京空天技術(shù)研究所，北京 100074)

熱防護(hù)系統(tǒng)能夠阻止大氣氣動加熱產(chǎn)生的熱量傳入航天器的艙內(nèi)部，維持艙內(nèi)人員及設(shè)備的正常工作[1-2]。蜂窩夾層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)作為熱防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵隔熱構(gòu)件之一，具有耐高溫和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為航天飛機(jī)和超音速飛行器高溫區(qū)和大面積區(qū)域的典型隔熱措施，其安全性和完整性的保障非常必要[3]。蜂窩夾層熱防護(hù)結(jié)構(gòu)是由隔熱蜂窩鋁、面板、泡沫等基體通過耐高溫柔性膠黏劑連接起來的多層隔熱結(jié)構(gòu)[4]。在惡劣的飛行環(huán)境中，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脫黏損傷，甚至導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的失效[5]。因此，探索和發(fā)展適用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)脫黏缺陷的監(jiān)測手段，不僅可在服役過程中確保航天器結(jié)構(gòu)完整性、提高結(jié)構(gòu)服役安全性，還可為新型熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供支撐。

目前多種檢測技術(shù)可用于結(jié)構(gòu)的脫黏診斷，如用應(yīng)變識別法[6]、超聲C掃法[7]、射線檢測法[8]和紅外熱成像法[9]等。區(qū)別于一些操作難度大或性價比不高的傳統(tǒng)檢測方法，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)具有傳播速度快、傳播距離長、傳播衰減小的優(yōu)勢，可在很小區(qū)域內(nèi)通過傳感器激勵產(chǎn)生超聲導(dǎo)波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍檢測，適用于大面積板結(jié)構(gòu)的損傷診斷[10]。目前有多種傳感器可以實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波激勵和接收，其中鋯鈦酸鉛壓電陶瓷傳感器(PZT)在成本和功耗等方面具有優(yōu)勢，且易于集成化，可以同復(fù)合結(jié)構(gòu)共同成型，廣泛應(yīng)用于工程無損檢測領(lǐng)域[11]。

針對復(fù)合材料脫層、多層結(jié)構(gòu)分層以及膠接接合部脫黏等缺陷的檢測，超聲導(dǎo)波技術(shù)已經(jīng)取得了部分進(jìn)展[12]。盡管許多檢測方法和算法具有良好的面內(nèi)脫黏診斷性能，但對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)來說，不同界面脫黏對結(jié)構(gòu)的影響程度并不相同，所以迫切需要一種在平面定位之后能對厚度截面上的脫黏層進(jìn)行辨別的方法。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，文章基于超聲導(dǎo)波加權(quán)分布診斷成像和支持向量機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫黏診斷和脫黏層判定。

1 脫黏診斷原理

1.1 加權(quán)分布成像

超聲導(dǎo)波加權(quán)分布診斷成像方法是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的損傷成像算法，其原理為：結(jié)構(gòu)損傷會導(dǎo)致導(dǎo)波信號發(fā)生變化，而損傷與傳播路徑的距離和導(dǎo)波信號變化程度呈正相關(guān)。具體診斷流程為：① 計(jì)算導(dǎo)波傳播路徑上的信號變化差異，并以這種差異作為路徑損傷因子(DI)；② 將診斷區(qū)域劃分為網(wǎng)格坐標(biāo)點(diǎn)并進(jìn)行圖像投影；③ 通過橢圓加權(quán)分布函數(shù)計(jì)算各條傳播路徑所對應(yīng)的損傷因子映射到每個坐標(biāo)點(diǎn)上出現(xiàn)的概率[13]。即坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)處的損傷概率P(x，y)可表示為

(1)

式中：D,Ii為損傷因子；Wi[Ri(x,y)]為第i條路徑的橢圓加權(quán)分布函數(shù)，由非負(fù)線性遞減函數(shù)定義，即

(2)

式中：β為控制橢圓分布區(qū)域大小的縮放參數(shù)；Ri(x,y)為坐標(biāo)點(diǎn)到路徑的相對距離，即

(3)

式中：de,i(x,y)和dr,i(x,y)分別為坐標(biāo)點(diǎn)到激勵/接收傳感器的距離；Li為傳播路徑的長度[14]。

1.2 支持向量機(jī)

支持向量機(jī)是解決小樣本分類識別中較有優(yōu)勢的一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，其原理是通過在樣本空間中劃分超平面來實(shí)現(xiàn)對樣本的分類。支持向量機(jī)模型可表示為

f(x)=〈w,x〉+b

(4)

式中：w和b分別為法向量和位移項(xiàng)。

f(x)=0即為樣本空間的分類界面。如果樣本空間不能被線性分離，則使用核函數(shù)φ(x)使模型變?yōu)榉蔷€性，即

f(x)=〈w,φ(x)〉+b

(5)

可見，求解一個二次凸優(yōu)化問題即可找到最優(yōu)權(quán)系數(shù)w[15]。

2 脫黏診斷方案

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

通過布置壓電傳感器形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)布置如圖1所示。共設(shè)置24條導(dǎo)波傳播路徑，從平面內(nèi)看，在結(jié)構(gòu)上下兩側(cè)診斷區(qū)域分別布置相同的6條傳播路徑網(wǎng)絡(luò)用于加權(quán)分布診斷成像脫黏診斷；從截面內(nèi)看，設(shè)置單側(cè)平面內(nèi)傳播及跨平面的4條導(dǎo)波監(jiān)測路徑用于支持向量機(jī)脫黏層的判定。

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò)布置示意

2.2 模型訓(xùn)練

2.2.1 有限元模擬仿真

進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練需要樣本數(shù)據(jù)庫，這里采用有限元仿真導(dǎo)波信號來構(gòu)建。使用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模仿真，建立鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。夾層總厚度為20 mm，其中上下面板厚度為1 mm、蜂窩厚度為18 mm。蜂窩形狀為邊長3 mm的正六邊形，鋁箔厚度為0.06 mm。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。按照圖1設(shè)置導(dǎo)波傳播路徑，傳播距離為150 mm，在上面板界面?zhèn)鞑ヂ窂缴显O(shè)置尺寸為20 mm×20 mm(長×寬)的脫黏損傷，從路徑中心點(diǎn)向激勵點(diǎn)和接收點(diǎn)分別以5 mm為間隔依次設(shè)置15次，而構(gòu)成31個脫黏模型，仿真可得31組上層脫黏樣本數(shù)據(jù)。為減少模擬計(jì)算量，將截面內(nèi)傳播路徑編號上下對稱更換，可得另外31組下層脫黏樣本數(shù)據(jù)。

圖2 鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.2.2 構(gòu)建樣本數(shù)據(jù)庫

計(jì)算各傳播路徑的損傷因子，如圖1所示可計(jì)算截面內(nèi)4條路徑的損傷因子作為損傷特征樣本，并通過不同的損傷因子計(jì)算方法增加樣本維度。文章選取損傷信號與無損基準(zhǔn)信號作差，即采用散射信號的時域能量SST、頻域能量SSS，損傷信號與無損基準(zhǔn)信號時域能量差異SDT、頻域能量差異SDS、信號相似度SDCC5種方法計(jì)算損傷因子[13]，單個樣本具有4×5=20個數(shù)據(jù)點(diǎn)。5種方法可表示為

(6)

式中：e和E分別為信號時域能量和頻域能量；ρ為相關(guān)系數(shù)；Dama表示損傷信號；Base表示無損基準(zhǔn)信號。

對有限元模擬得到的各組信號進(jìn)行上述計(jì)算，得到損傷樣本數(shù)據(jù)庫，對樣本數(shù)據(jù)設(shè)置標(biāo)簽，“1”代表上層脫黏，“-1”代表下層脫黏，利用MATLAB Classification Learner 軟件建立支持向量機(jī)分類模型并代入樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行模型訓(xùn)練。設(shè)置30%交差驗(yàn)證比例，得到模型訓(xùn)練準(zhǔn)確度為87.5%，樣本的訓(xùn)練迭代曲線如圖3所示。為了提升模型準(zhǔn)確度，開啟MATLAB軟件中的主成分分析(PCA) 以得到100%準(zhǔn)確度。

圖3 樣本的訓(xùn)練迭代曲線

3 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)置

選取鋁制蜂窩夾層結(jié)構(gòu)樣件，面板及蜂窩的尺寸與有限元仿真模型尺寸相同。按圖1所示傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置壓電傳感器，采用高溫(1 300℃)噴槍制造脫黏損傷點(diǎn)，驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。采用集成了信號發(fā)生器、功率放大器和信號采集器的設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)波數(shù)據(jù)采集。驗(yàn)證試驗(yàn)選取的兩個脫黏損傷(1#,2#損傷)如圖4(a)所示。值得注意的是，再次制造損傷前需要重新采集基準(zhǔn)信號。

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將采集到的損傷信號同基準(zhǔn)信號一同代入式(6)中計(jì)算得到各路徑的損傷因子，再將損傷因子代入式(1)得到診斷區(qū)域內(nèi)所有坐標(biāo)點(diǎn)的損傷概率，通過差值成像得到的損傷診斷成像結(jié)果如圖5所示。圖5(a)，(b)分別對應(yīng)圖4中設(shè)置的兩個損傷，各自定位誤差分別為10 mm和14 mm，小于脫黏區(qū)域本身尺寸，達(dá)到診斷需求。

圖5 損傷診斷成像結(jié)果

選取平面內(nèi)損傷位置，經(jīng)過該損傷傳播路徑做脫黏層判定分析?；诮孛鎯?nèi)4條傳播路徑的損傷因子構(gòu)建樣本，將樣本數(shù)據(jù)代入訓(xùn)練好的支持向量機(jī)模型進(jìn)行分類，兩處損傷均分類為“1”，即成功判定為上層脫黏。

4 結(jié)語

采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)脫黏損傷進(jìn)行檢測，共同應(yīng)用加權(quán)分布成像診斷方法和支持向量機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，實(shí)現(xiàn)了脫黏損傷的診斷和脫黏層的判定。合理布置壓電陶瓷傳感器，構(gòu)成加權(quán)分布成像傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過有限元模擬仿真為支持向量機(jī)機(jī)器學(xué)習(xí)模型提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，最后進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證所提方法具有良好的脫黏定位精度，脫黏層判定準(zhǔn)確率高。