曲磊 苏晨辉

摘 要：为解决复合材料损伤定位问题，提出了一种基于Lamb波和支持向量机的定位方法。首先呈正方形均匀布置4个压电传感器，采用质量块模拟损伤。通过小波滤波以及傅里叶变换提取带有损伤信息的频率特征，将8960（64×140）组频率样本作为输入、以损伤位置作为输出建立基于支持向量机的损伤位置辨识模型。最后经测试，60个（共64个）损伤位置准确识别，正确识别率为93.75%。说明此方法可以较高精度的辨识损伤位置，该研究对及早发现结构损伤位置，提高整体结构的安全性具有重要的意义和研究价值。

关键词：复合材料;损伤定位;Lamb波;支持向量机

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.109

1 引言

复合材料以优异的性能在航空、航天及轨道交通中广泛应用。但其在制造或服役期内不可避免产生损伤影响结构安全，对其进行损伤评估尤为重要。Lamb波具有检测范围广、敏感性高等特点使其成为检测损伤的理想选择。

在基于Lamb波的损伤识别中，由于复合材料自身各项异性以及波在复合材料中的传播尚不清楚，难以利用信号的特征指标找到辨识规律。但可以采用具有强非线性拟合能力的智能算法建立定位模型，将提升定位精度。为此提出了基于Lamb波和支持向量机的损伤定位方法。将信号进行滤波及提取带有损伤信息的频率特征，利用支持向量机建立损伤模型。经测试表明该方法可以较高精度识别损伤位置。

2 系统构建与实验

选定尺寸为600 mm×600 mm×2 mm、铺层顺序为[0°/90°]8的复合材料开展实验，呈正方形均匀布置4个压电传感器，其在板中的位置如图1（c）所示。并在复合材料划分64个区域，每个区域的尺寸为3cm×3cm。

图1是损伤位置识别实验系统，频率为50 kHz的Lamb波由函数发生器发出经放大器加载到激励器上，其余传感器经示波器采集信号。其中损伤是采用粘结直径为20mm的质量块实现的。采用“DB8”小波和4尺度分解消除信号中含有的白噪声，去噪前后的信号如图2（a）所示，可以看到噪声信号被剔除。

复合材料损伤会导致结构频率响应发生变化，因此可以通过傅里叶变换提取损伤特征，建立频域信息与损伤之间的关系模型。图2（b）与（c）是损伤位于不同位置时信号的频域图，可以看到不同位置之间频率的差异。

3 结果与讨论

在图1（c）所示的每个损伤位置分别采集140次数据经信号处理形成样本数为8960个的训练集。将其代入支持向量机进行训练得到损伤识别模型。最终在每个位置开展一次实验进行损伤测试，结果如圖3所示，其中有60个准确辨识，识别率为93.75%。说明该方法具有较高的损伤位置辨识精度。

4 结论

研究了基于lamb波和支持向量机的复合材料损伤位置识别方法。采取主动激励的方法检测复合材料的损伤，支持向量机可以建立信号与损伤之间的复杂映射关系。该方法正确识别率为93.75%，证明其在复合材料板损伤定位识别方面具有较高的准确性和应用潜力。

参考文献

[1]Reiner J.Comparison of two progressive damage models for studying the notched behavior of composite laminates under tension[J].Composite Structures，2019，207：385-396.

[2]Liu Z，Yu H，Fan J，et al.Baseline-free delamination inspection in composite plates by synthesizing non-contact air-coupled Lamb wave scan method and virtual time reversal algorithm[J].Smart Materials & Structures，2015，24（4）.

[3]Zeng L，Huang L，Lin J.Damage imaging of composite structures using multipath scattering Lamb waves[J].Composite Structures，2019.

[4]Pant S，et al.Derivation and experimental validation of Lamb wave equations for an n -layered anisotropic composite laminate[J].Composite Structures，2014，111（11）：566-579.