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1、20 测控技术)2017年第36卷第12期基于HHT的复合材料层合板结构损伤识别华林，康建雄，王富生，刘军，岳珠峰(西北工业大学工程力学系，陕西西安710129)摘要：针对航空飞行器复合材料层合板结构的健康监测，提出一种基于HHT的新型损伤特征量提取方法。利用结构动态响应信号的Hilbert能量谱构造了损伤特征量，用以表征信号的能量变化，从而对带损伤结构进行损伤识别。通过光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器采集数据，比较复合材料层合板在完好和带损伤两种情况下的信号能量变化，实现了对结构小损伤的识别。试验结果表明。构造的结构损伤特征量可以应用于复合材料层合板的结构健康监测，具有良好的灵敏度和实用
2、性。关键词：HHT；信号能量变化量；复合材料层合板；FBG传感器：损伤识别中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：10008829(2017)12002004Structural Damage Identification of Composite Plate Based on HHTHUA Lin，KANG Jian-xiong，WANG Fusheng，LIU Jun，YUE Zhufeng(Department of Engineering Mechanics，Northwestern Polytechnical University，Xian 710129，China)Abst
3、ract：Aiming at the structural health monitoring of aircraft composite plates，a new method of extractingstructural damage identification based on the HilbertHuang transform(HHT)is developedThe Hilbert energymarginal spectrum of the signal of dynamic response is used to abstract damage characteristics
4、，which can re-flect the signal energy variation to identify the structural damageThe FBG(fiber Bragg grating)accelerationsensor is used to collect the dataThe signal energy of intact and damaged composite plate is compared to implement the identification of small structural damageResuhs from composi
5、tes test reveal that the constructedstructural damage feature index has good sensitivity and practicality in the structural health monitoring of time-varying signalKey words：Hilbert-Huang transform；signal energy variation；composite plate；FBG sensor；damage identification航空飞行器结构在服役过程中可能会出现冲击、疲劳等各种形式的损
6、伤，特别是蒙皮、承力结构和连接部位，更容易产生结构损伤乃至破坏。这就需要在线的结构健康监测发现初期结构损伤，保障飞行器安全运行。损伤产生时，会降低结构的刚度、强度等力学性能并使其动力特性改变。特别是复合材料层合结构，在实际应用中容易出现分层、纤维断裂等损伤形式，影响结构服役寿命。由此，各种损伤识别方法被用来进行复合材料的结构健康监测。2 o。信号处理方法中较为经典的傅里叶变换和小波变换。，在实际工程的应用中受到一定的限制。傅里叶变换只能处理平稳信号，局部突变信息难以得到。而小波变换受到小波函数的收稿日期：20170401基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475369)作者简介：华林(19
7、86一)，男，山东烟台人，博士研究生，主要研究方向为复合材料力学和结构健康监测等。约束，对同一信号选择不同的小波函数处理结果将会不同。HHT(HilbertHuang transform)是近年来提出的一种对非线性非平稳信号的处理方法【4。该方法不需要先验函数，具有自适应性，并且可以用于突变信号的处理中。结合随机一模糊统计原理，Hilbert边际谱能量指标被用来识别梁桥模型损伤J。通过根据HHT建立的瞬时能量变化量可以判断机翼盒段结构的损伤情况6 J。并且基于HHT方法对地震信号1和复合材料的结构信号旧。进行响应分析和损伤识别的工作也在进行。另外，在HHT理论基础上进行改进的信号处理方法也在发
8、展。1。本文基于HHT理论构造新型损伤特征量，并在振动试验中对复合材料层合板结构进行损伤识别，对该方法进行验证。1 HilbertHuang变换HHT理论首先假设任何一个信号都是南若干固万方数据基于HHT的复合材料层合板结构损伤识别 21有模态函数组成，该方法由固有模态分解(EMD)和Hilbert变换(HT)两部分组成。通过EMD，可将复杂的时间序列分解成几个从高频到低频的基本时间序列，即固有模态函数(IMF)。接下来对IMF进行Hilbert变换，即可得到原始信号的时频谱特性。11固有模态分解(EMD)Hilbert变换要求信号满足窄带条件，因此必须通过经验模态分解方法将信号分解成一系列的
9、窄带信号。其中，原始信号经过EMD处理后得到的IMF，需要满足以下条件：信号在整个时间历程里的过零点和极值点个数相等或者至多相差1个；在任意点上，由局部最大值和局部最小值定义的上下包络线均值为0，即信号关于时间轴局部对称。EMD是HilbertHuang变换中的关键一步，其主要步骤如下：假设原始数据序列为戈(t)，找出数据序列的所有局部极大值和极小值，分别用三次样条函数进行插值，得到原序列的上下包络线戈。和z。i。用原数据序列减去包络线均值得到hl=工(t)一(戈+z)2 (1)将h，当作新的戈(t)，重复步骤直至h。满足IMF的两个条件，此时h，即第一阶固有模态函数。定义残余信号r，为rl=
10、戈()一hl (2)将r，当作新的信号重复上述步骤，可以得到一系列的IMF分量。直至信号满足标准偏差条件，此时停止IMF的筛选。EMD结束后原始信号可以表示为鼻(f)=h。+r (3)l=l式中，hi为各阶IMF分量；r为残余函数。12 Hilbert变换对满足窄带条件的信号戈(t)，进行Hilbert变换：，()：上Pf丛盟d下 (4)其中，P为柯西主值。并可以得到其解析信号：z()=戈(f)+iy()=n()e1州其中，(5)n(t)=菇2(t)+Y2(t) (6)鲫)珊fan(措) (7)对相位0(t)求导，可以得到瞬时频率：(f)=d0(-t) (8)在对戈(t)分解的各阶IMF进行H
11、ilbert变换后，可以得蛰I Hilbert谱为日(，f)=aj()ei胁”m (9)互其中，口i(t)为第J阶固有模态函数解析信号的幅值。Hilbert谱描述了信号的幅值、时间和频率的分布。由Hilbert谱可以得到边际谱h(09)：h(co)2 J。日(州)d (10)将h(c)振幅的平方对时间积分，得到Hilbert能量谱E()怕1：E()=：日(，t)2山(11)边际谱提供了与时间和频率有关的振幅分布，Hilbert能量谱则反映了信号不同频率在采样区间的能量累积。2损伤特征量的构造在边界条件和载荷不变的情况下，结构不同部位动态响应能量在信号各阶IMF上的分布变化可以反映结构是否产生损
12、伤。相比于边际谱中的信号振幅，Hilbert能量谱可以将因结构损伤产生的信号能量变化放大，有利于结构微小损伤的识别。因此基于Hilbert能量谱，定义信号能量变化量为V：岁l墨：蝤!二堕竺!I100 (12)爿lmaxE“(。)I其中，旷(60i)和(i)分别为完好结构和可能含损伤结构的动态信号在各时刻的Hilbert能量。通过式(12)可以看出，当y值为0时，结构信号能量前后无变化，表明结构无损伤产生；而当y值大于O时，结构信号能量有一定的变化，y值越大，说明和完好结构的信号能量差异越大，结构损伤很可能已经产生。因此信号能量变化量可以诊断结构是否有损伤发生。3试验验证将构造的损伤特征量应用在
13、复合材料层合板的结构损伤识别中，采用敏感性和稳定性较好的FBG传感器采集数据信息。振动试验流程如图1所示，采集到的FBG传感器信息经过解调仪将光波波长信息转化成结构应变数据，以此进行结构损伤识别。试验件光波波长数据+】塑叵一】匦匝冈1试验流程一翊一预一一好一：赢堕万方数据22 测控技术2017年第36卷第12期试验件是一个尺寸为224 mm125 mm2 mm的复合材料层合板，材料是T300QY891 1，铺层顺序为09009045一45090。，单层厚度0125 mm。试验件的夹持长度为20 mm。在试验件上布置两个FBG低频加速度传感器，其中测点1处的传感器中心点距离夹持端675 mm处；
14、测点2处的传感器中心点距离夹持端160 mm处。预制损伤是长度为27 mm的横向裂纹以模拟结构刚度变化，位置相对靠近测点1。试验件如图2所示。图2试验件将试验件的初始状态定义为完好状态，预制损伤后的试验件定义为损伤状态。试验振动频率为70Hz，采样频率为1000 Hz。在试验件完好时采集加速度信息，之后加入损伤并重复试验。从两次试验采集信号的中间段分别提取时间长度为02 S的数据，并对其进行处理。用EMD方法分解结构损伤前后的加速度信号，得到两种情况下信号的各阶IMF，如图3和图4所示。500i量0 r、广、飞v，、，厂、，、八厂、J-500000 004 0 08 012 016 0 202
15、()(】罨 (1毡暑200-一000)r一口E一一llkl】八八020?匕。二么二ll LJ111Lob=d000 004 008 012 016 0202厂二二=二二=二=二习，l一一一一1140U0 00S U12rs结构完好情况016 020罱200萤0”一200O一200熏。一20002笔0一一2O笔0=一l046。一470 08 012 016 020008 012 016 02000 004 0 08 O 12 02000 004 008 012 016 0 2004(b)O20图3第1个测点在结构损伤前后信号的各阶IMF分量500i矗0罚一5000500一名0=一5000厂八仑厂
16、厂八厂、厂厂厂八厂厂刊00 004 0 08 012 ()16 02000 0 04 008 012 016 020。12i F=二二二二=7。o广30 L_一000 (500矗0磊-500OrS01 1(a)结构完好情况J【_J016 0 2000 ()()4 008 012 016 0 20500熏 o h八八n、厂八八厂、八八、八J-50020笔0一一20020笔000 004 0 08 012 016 02020 LJJJJJ11L一000 0 04 0 08 012 016 02072 rrT1rrT1r-1k-7476011OO O04 O08 012 016 O 20tS(b)结
17、构损伤情况图4第2个测点在结构损伤前后信号的各阶IMF分量诣OU500万方数据基于HHT的复合材料层合板结构损伤识别 23在得到结构损伤前后的信号各阶IMF后，利用Hilbert变换得到两个测点处信号的瞬时频率、Hilbert谱和能量谱，如图5图10所示。00 ()1 0二 ()()01 (1 2js l慷(a)结构完好情况 (h)结构损伤情况羽5 第1个测点在结构损伤前后信号的瞬时频率卜。j露川l。j，f_踊 、一I-。，j 卜lj一 jr、 -。 “、。、 “、，。(a)结构完好情况 (bJ结构损伤情况f (J二 cJ 4tS(a)结构完好情况： 11 Jts(b)结构损伤情况图8 第2个
18、测点在结构损伤前后信号的Hilbert谱6一一。l 宅肖210ik l。(a)结构完好情况 (b)结构损伤情况图9第1个测点在结构损伤前后信号的Hilbert能量谱烈(a)结构完好情况 (b)结构损伤情况图10第2个测点在结构损伤前后信号的Hilbert能量谱对复合材料层合板添加损伤后，结构动态特性发生变化，导致试验过程中采集的两个测点信号在结构损伤状态中都受到影响。从两个测点信号高频IMF的瞬时频率很难判断结构是否产生损伤，而低频IMF的能量较低并不能作为结构损伤识别的参考。从图9和图10可以看出，在结构产生损伤后，测点处信号的能量谱产生变化。根据式(12)，可得出两个测点在结构损伤前后的信
19、号能量变化量分别为1005和686。由此可以看出两个测点处的y值都大于0，显示结构损伤已经产生，影响了两个测点处的信号能量。从式(12)可知，y值的大小与该测点处的信号能量变化大小成正比，而信号能量变化又与结构损伤有关。测点1处的矿值较大，说明该测点的信号受结构损伤影响较大，因此损伤位置距测点1较近。损伤识别的结果与试验中预制损伤的位置相符。4 结束语从结构健康监测的提取损伤特征量出发，对损伤识别方法进行研究，提出了将基于Hilbert能量谱构造的信号能量变化量作为损伤特征量的方法。在复合材料层合板振动试验验证中，通过完好结构和带损伤结构的信号能量对比，得到损伤前后结构的信号能量变化量，实现了
20、对结构的损伤识别以及损伤位置的初步判断。通过理论分析和试验验证得到以下结论：HHT信号处理方法适用于非平稳信号，Hilbert能量谱可以反映信号的能量分布，基于HHT提出的结构健康监测方法能够识别结构损伤以及初步判断损伤位置。信号能量变化量可以敏感地识别结构小损伤，并且能够初步判断出损伤位置，不需要具体结构参数，能够满足结构健康监测的动态和实时性要求，对后续的损伤检测、结构检修和维护起到引导作用，有一定的工程实用性。在复合材料层合板结构损伤识别试验中，采用的光纤光栅加速度传感器相对于试验件体积较大，后续可考虑使用其他类型的传感器提取结构的信息进行损伤识别，比如结构应变。(下转第28页)i阻腥墉
21、Uh圈万方数据28 测控技术)2017年第36卷第12期数方面都比APS公司牛产的压力短节有相对优势。二jw到单位v采】阵点if-号图10加入硬件和软件滤波后数据对比表1 AlaS压力短节与本系统压力短节对比故障类型测井m深度霉喜筹孚雩馨塑等开关泵 2000 97 96 99 98成功次数 3000 95 94 97 98死机次数；。000 ； ； ： ：6 结束语随着我国科技的持续进步，小信号检测已应用于多种领域，其使用面在进一步扩大。但调研表明，对于高温、高压、高加速度下的小压力检测仍然没有相应的技术沉淀。因此，本系统采用的压电陶瓷技术，实现了对极小振动压力(01 psi，1 psi=68
22、95 kPa)的检测，为工业系统的性能检测提供更精确的检测方法。该装置目前已经在长庆油田、青海油田投入使用并取得良好效果，系统各个主要器件均能在温度为150 oC的高温条件下正常工作，且在恶劣的高温现场环境中仍具有很好的稳定性，此举打破了国外APS在国内一股独大的格局。参考文献：1 陈文渊随钻测量系统信号测量的关键技术研究D重庆：重庆大学，20112 董夏妮，王成林基于小波变换和模式识别随钻测量系统通信信号处理方法研究J电子测量技术，2016，39(5)：1461493 吴昊澄，孙伟峰，戴永寿，等钻柱振动信号采集系统的研究与设计J电子设计工程，2012，20(6)：1021044李学海PIC单
23、片机实用教程基础篇M北京：北京航空航天大学出版社，20025 陆兆峰，秦曼，陈禾，等压电式加速度传感器在振动测量系统的应用研究J仪表技术与传感器，2007(7)：346 魏冬，张志杰，裴东兴电荷放大器可靠性分析J中国测试，2016，33(1)：86877 刘伟，张存善基于PIC单片机和AD7705的高精度信号采集系统设计J电子设计工程，2011，19(2)：185一1888 张琦，汪跃龙，汤楠基于24LCl025芯片的存储器阵列设计J西安石油大学学报(自然科学版)，2009，24(6)：80829 张振华随钻测井仪器时钟系统的研究J西部探矿工程，2013，25(5)：515410 彭丁聪卡尔曼
24、滤波的基本原理及应用J软件导刊，2009，8(11)：3334口(上接第23页)在判断出结构损伤产生与否和损伤位置后，损伤程度的判定是接下来的任务。如何更精确地寻找损伤位置和进一步地辨识损伤程度，需要接下来的研究。参考文献：1 彭鸽，袁慎芳复合材料结构损伤的小波神经网络辨识研究J宇航学报，2005，26(5)：6256292 严宏，周丽基于损伤存在概率成像方法的复合材料结构损伤识别J振动与冲击，2012，3l(13)：76803 王慧，王晓乾基于模态小波分析的棒体裂纹损伤识别J测控技术，2016，35(12)：26294Huang N，Shen Z，Long S R，et a1The empi
25、rical mode de-composition and the Hilbert spectrum for nonlinear and nonstation time series analysisCProceedings of The RoyalSociety1998，454：9039955 石春香，李胡生基于Hilbert边际谱与随机一模糊统计原理的梁桥损伤识别试验研究J振动与冲击，2011，30(8)：123一1276 陈换过，闫云聚，姜节胜，等基于振动响应和HHT技术的机翼盒段结构损伤检测方法研究J应用力学学报，2007，24(3)：4204247 刘强，周瑞忠，刘宇航基于HHT变换
26、的结构地震响应与能量计算分析J武汉大学学报(工学版)，2009，42(6)：7807848 常鸣，袁慎芳基于HHT技术的复合材料结构损伤定位研究J宇航学报，2006，27(1)：1441489Bao C X，Hao H，Li Z X，et a1Timevarying system identifi-cation using a newly improved HHT algorithmJComputers and Structures，2009，87(2324)：161l一1623IO Kerschen G，Vakakis AF，Lee YS，et a1Toward a fundamental understanding of the HilbertHuang transform innonlinear structural dynamicsJJournal of Vibration&Control，2008，14(12)：77105口万方数据