SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070 - 9622 Hindawi出版公司 693593年 10.1155 / 2014/693593 693593年 研究文章 损伤检测碳纤维增强塑料盘子使用谱熵 卡斯特罗 E。 1 Moreno-Garcia P。 2 加利西亚语 一个。 3 玛雅 努诺- 1 应用物理系 大学为卡塔赫纳 30202年卡塔赫纳,穆尔西亚 西班牙 upct.es 2 INEGI,研究院Engenharia Mecanica e Gestao工业 校园da FEUP Rua罗伯托·弗里亚斯博士400年 4200 - 465年波尔图 葡萄牙 inegi.pt 3 应用物理系 格拉纳达大学 18071年格拉纳达 西班牙 ugr.es 2014年 20. 5 2014年 2014年 07年 07年 2013年 05年 02 2014年 20. 5 2014年 2014年 版权©2014 e·卡斯特罗et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

使用振动损伤检测技术是基于测量结构的振动参数的变化。本文研究的可行性谱熵作为一种新的损伤检测参数检测的损伤在复合纤维增强聚合物(碳纤维增强塑料)板。开展这项研究中,碳纤维增强塑料盘的振动测量和无损伤和损伤和谱熵之间的关系研究。

 1。介绍

结构健康监测(SHM)是非常重要的在航空工业航空结构的高责任和高昂的维护成本。因此,可靠的损伤检测技术的发展与航空航天应用程序是一个非常重要的问题。作为复合结构在航空航天工程变得非常重要,因为他们的高刚度和减少体重,这是非常有趣的损伤诊断方法的研究。

探讨一种新的损伤检测技术的使用在复合镀层。损伤检测技术是基于熵的使用频率响应函数(降维),叫做谱熵(SE)、损伤指数。润扬悬索桥的结构取决于它的几何形状和材料,而众所周知,断裂或裂缝产生了结构的变化( 1),可以用来识别损伤。但误差也有很多信息,它是必要的分析所有这些信息来检测损伤。通常信息在某种程度上减少到只有一个参数,可以作为损伤指数。SE是另一个方法。它是润扬悬索桥的熵,所以它是一个单一参数,描述了结构的振幅分布。主要优势其他损伤指标基于固有频率的变化是SE取决于润扬悬索桥的振幅分布。转移或改变全球的振幅误差也由于外部因素不影响本身的价值,使其非常健壮的对环境条件的变化。

评估本身的性能损伤指数,进行了一个实验。碳纤维增强塑料盘的振动和无损伤测量,误差和SE。最终结果,损伤和SE之间的相关性被发现。

 2。实验描述

碳纤维增强塑料盘子的属性表中列出的实验中使用 1。板很兴奋的随机振动频率1500赫兹的压电致动器。板的振动测量和四个压电传感器分布在板的中心对称。执行机构是位于板的中心。传感器和执行器的位置和属性如表所示 2。四方板的夹防振表上刚性框架。压电传感器与STP电缆Bruel和Kjær脉冲输入通道为了消除电磁干扰(EMI)和邻国之间的串扰对和外部来源。的输入信号也产生脉冲输出端口。piezosystem epa - 104放大器提高了致动器的脉冲输出信号。尽量减少EMI和电噪音,所有设备,连接盒、电缆盾牌,框架是连接到一个独立的接地系统。减少外部振动的影响,框架是固定一个防振表和测量进行了晚上以最小的环境噪音。图 1显示板的附加传感器、致动器、和破坏位置。

碳纤维增强塑料盘子的属性。

(一)长度 85厘米
(b)的长度 65厘米
纵向杨氏模 1.50 × 10 11 巴勒斯坦权力机构
横向杨氏模 1.15 × 10 10 巴勒斯坦权力机构
泊松配给 0.42
剪切模 5.0 × 10 9 巴勒斯坦权力机构
密度 1560公斤/米3
质量 4.75公斤
层厚度 0.188毫米
层数 12
叠层顺序 ( 0/90 ] 3 s

属性和压电传感器和致动器的位置。

使用 陶瓷 电极 厚度 直径 职位 符号
致动器 PIC255 Ag) 0.5毫米 20毫米 (42.5,32.5)厘米 A1
传感器 PIC151 Ag) 0.5毫米 10毫米 (24.5,21.5)厘米 S1
(24.5,43.5)厘米 S2
(60.5,21.5)厘米 S3
(60.5,43.5)厘米 S4

板正在研究和实验安排。

模拟的损害群众附着在板重量,6.7 g (M1), 12.8 g (M2), 24.7 g (M3), 39.6 g (M4), 85.8 g (M5)和192.9 g (M6),在三个不同的位置表所示 3。在图 2可以看到图的不同位置损伤板。板被放置在一个水平位置和质量是没有任何修复机制。振动的振幅很低,所以质量呆在它的位置,而实验被执行。质量是免费的,它是可能的,它可以“跳”板下降。在实验中没有注意到这方面的证据跳。

增加质量和板的总质量和比较。

添加质量(g) 板的质量百分比
6.7 0.14
12.8 0.27
24.7 0.52
39.6 0.83
85.8 1.81
192.9 4.06

碳纤维增强塑料盘子的尺寸和位置的损伤(P1, P2, P3)和致动器(A1)。

这种损害控制和无损的优势很好,这是特别重要的验证损伤检测和评价方法。此外,增加当地群众产生上升的密度,在板的振动行为的效果类似于刚度的降低,振动频率取决于 k / ρ ,在那里 k 是刚度和密度。实验中可以找到的更多细节( 2, 3]。

 3所示。谱熵

熵是一个热力学级,可用于计算能量的数量不能转化成工作。从微观的角度来看,它是衡量系统的障碍。也是使用信息熵理论,它是与一个随机变量的不确定性,它被称为香农熵。对于我们的目的,我们将使用的解释熵作为衡量系统的障碍,但将它应用到一个信号的频率分布。香农熵方程可以计算: (1) E = - - - - - - ∑ 我 = 1 N p 我 日志 ⁡ ( p 我 ) , 在哪里 p 我 的概率是系统的状态吗 我 和 N 州的总数。

为了使用( 1润扬悬索桥)来计算,每个频率峰值归一化,然后被认为是一个状态 我 及其振幅被认为是它的概率 p 我 。SE是计算使用的表达式: (2) SE = - - - - - - ∑ 我 = 1 N Ag)ydF4y2Ba ( f 我 ) Ag)ydF4y2Ba T 日志 ⁡ ( Ag)ydF4y2Ba ( f 我 ) Ag)ydF4y2Ba T ) , 在哪里 Ag)ydF4y2Ba ( f 我 ) 是频率的振幅峰值 f 我 和 Ag)ydF4y2Ba T = ∑ 我 = 1 N Ag)ydF4y2Ba ( f 我 ) 。只考虑了结构的峰值的计算。

SE措施振幅分布的紊乱。如果所有的能量集中在几个频率,润扬悬索桥的非常有序,SE低价值。同样,如果能量分布在许多频率,误差也很无序和SE具有很高的价值。考虑到这个,SE可以被看作是一个指标的振动的复杂性,因为它将更复杂的频率如果更多的参与这项运动。

作为一个例子,在图 3三归一化误差也可以看到。第一个只有两个频率相同的振幅,及其SE是3.163。第二个的频率与前一个相同,但其中一个比另一个更高的振幅,因此更多的命令和其本身的值为3.108,低于第一个。第三频有三个频率相等的价值及其SE是3.443。能量分布在多频率、结构比第一个更无序,所以它本身较高。

润扬悬索桥作为依赖的例子本身的振幅分布。SE的值是3.163,3.108,和3.443。

SE可以作为损伤指数假设损伤变化振幅分布润扬悬索桥的结构。也就是说,如果只有一个固有频率的值的变化,但是他们有相同的振幅与原始的,然后他们SE将是相同的。SE将改变如果新的频率比以往有不同的振幅。

获得了结构的结构与外部力量一定很兴奋(输入)和振动的结构必须测量(输出)。输入能量分布不同的固有频率取决于物理特性之间的结构和传动装置的位置和传感器。每个频率的振幅峰值频显示的输入能量对应频率的一部分。

身体上,伤害减少的区域结构的刚度,它位于。它修改结构的物理特性和振动,提高有些频率和削弱。所以,SE的结构将会改变的损伤。

到作者的知识,SE尚未使用过识别损伤结构的振动。类似的参数具有相同名称的使用在其他科学领域,例如,在医学( 4, 5,生态 6),基因组学( 7),和声学 8),但通常在每一个不同的应用程序本身是用不同的方式定义的。在声发射的名字已经使用频率熵分析获得的信号( 9]。参数类似于SE是小波熵(我们),这是小波能量的夏侬熵得到的连续小波变换( 10]或不同的频带得到离散小波变换( 11]。我们已经成功地用于检测损伤结构( 12]。

 4所示。实验结果

实验重复15次在未损坏的情况下在每个损坏的板和5次最小化环境和随机错误。采样频率为4096赫兹和激励信号的频率含量是1500赫兹。功率谱密度(PSD)激发和输出的计算使用Matlab和韦尔奇算法。PSD的输出是除以PSD的激发获得了结构。一些例子的降维板有不同的附加质量图中可以看到 4。

实验误差的例子。对应的例子与损伤位置的传感器1 P1。在图中,添加的质量是表示。

这些实验误差的变化损害已经研究了在以前的作品( 2, 3]。这种变化是量化使用以下参数: (3) D 1 = ∑ f 我 = f 最小值 ⁡ f 我 = f 马克斯 ⁡ | FR F 未损坏的 ( f 我 ) - - - - - - FR F 损坏的 ( f 我 ) | 。 完好无损的频响和损坏板增加而损坏,所以 D 1 可以作为损伤指数。在图 5它显示的变化 D 1 与每个损坏的附加质量位置。可以看出,增加了结构的变化非常快,低伤害,但是对于聚集高于39.6克, D 1 在所有情况下仍然几乎不变。

的变化 D 1 与附加质量。(一)P1损伤位置。P2 (b)损伤的位置。P3 (c)损伤位置。

研究本身的性能损伤指数,计算每个实验,为每个损伤和损坏板计算平均值和标准偏差。SE的附加质量的变化每个损坏的位置如图 6, 7, 8,添加误差线显示标准差由于不同的实验。

变异的SE的附加质量位置1:(一)传感器S1;(b)传感器S2;S3 (c)传感器;(d)传感器S4。

变异SE的附加质量位置传感器S1 2 (a);(b)传感器S2;S3 (c)传感器;(d)传感器S4。

变化本身的附加质量位置3 (a)传感器S1;(b)传感器S2;S3 (c)传感器;(d)传感器S4。

我们可以看到数据 6- - - - - - 8,有一个趋势的SE添加质量。与损伤位置1和3,SE上升的趋势是质量,而不是单调的形式。另一方面,损伤位置2,SE的趋势是随质量,除了传感器4的情况下,震荡而不是一种趋势。这意味着破坏位置1和3中产生更多的相关频率的误差;也就是说,更多的频率误差之间的能量分布。在另一侧,伤害在位置2相关的频率越来越少了。使用SE作为测量的复杂性,损伤位置1和3使振动更为复杂,而损伤位置2减少其复杂性。

这SE与损伤位置的不同行为可以解释为考虑,存在大量的点板使其运动更加困难。所以正常模式与附近一个波腹损伤位置会被打扰,及其影响的振动将减少。在位置1和3的干扰模式必须是主要的,所以不太重要的影响模式是增强和振动的复杂性较高。在位置2的情况下,干扰模式可能低相关性的振动和更多的能量去校长的运动不那么复杂。损伤指数 D 1 有相同行为的三个损伤位置,因为它的措施之间的区别润扬悬索桥的损伤和损坏的盘子,所以这种差异总是增加附加质量。

低附加质量本身的变化非常快,但是对于质量约为39.6 g和85.8 g变得几乎不变。看来,当我们有一个高质量的价值,进一步增加了结构不会改变振幅分布和SE保持不变。同样的行为被发现损伤指数 D 1 ,这是一种降维的变化的直接测量。看来时频变化很少达到一定价值的损害。损坏的原因饱和度指数可以,之前已经说过,增加板的质量在一个点减少它的运动。低价值的质量,还可以移动。但对于一个高价值的,有一种强烈的限制的运动和它保持静止。因为它不能移动,进一步增加的质量不会有任何影响。

可能结果会受到群众的事实没有固定板,但似乎并非如此。板上的大规模的可能跳可以引入一个非线性效应,增加体重。以实验结果为低质量SE遵循这一趋势和高质量近似恒定值。如果跳跃的影响是重要的,本身会增加高质量的误差也会更加复杂。

 5。结论

复合结构在航空航天工业的重要性正在增加在过去的几年内,使损伤识别方法的发展适应了这种材料的必要。一个新的损伤诊断技术一直在实验测试了碳纤维增强塑料盘子。它是基于使用的振动谱熵(SE)摘要结构损伤指数。这个参数措施之间的能量分布板的共振频率和振动的复杂性有关。已经证明,SE的变化与损伤,这变化是高于SE的变化由于润扬悬索桥的不同措施。此外,SE的变异与破坏遵循一种趋势:SE(不同的位置),增加或减少损失增加。这意味着SE可以与损坏的数量在给定位置和更多的研究,以其本地化。在我们的实验测试发现的变化并不总是mononotic SE和伤害,这使得难以在实际情况中使用。它可以是由于我们的实验安排,或损坏的实现,或其他原因。澄清这一点,提高我们对理论的理解行为,必须进行一个数值调查。

SE的优势比其他损伤指标基于降维,改变结构的环境或外部条件(如温度)可以产生变化的振幅误差或翻译,很多可能出现假阳性。SE这些变化不敏感,使其成为一个非常有前途的损伤指数SHM,尽管更多的理论和实验研究是必要的。

 利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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