【摘要】：纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)因其輕質(zhì)高強、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗振動、吸波透波、絕緣隔音、外觀設(shè)計靈活和可塑性強等綜合特性,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、海陸交通、民用基礎(chǔ)設(shè)施、體育器材和建筑醫(yī)療等工程領(lǐng)域。常見的FRP材料以層合結(jié)構(gòu)為主,層與層之間是樹脂基體,力學(xué)性能較薄弱,極易導(dǎo)致FRP材料在加工、儲存、運輸、服役及維修過程中因遭受中低速沖擊而產(chǎn)生分層損傷,大大降低了FRP層合結(jié)構(gòu)的承載能力,最終在低于設(shè)計載荷水平下失效,帶來嚴(yán)重的安全事故和重大的生命財產(chǎn)損失。因此,對FRP層合結(jié)構(gòu)進行早期損傷診斷和識別顯得尤為重要。本文以FRP復(fù)合材料層合梁為研究對象,分別以損傷發(fā)生前后的振動參數(shù)(模態(tài)頻率)變化值和光纖光柵波長漂移值為損傷指標(biāo),通過構(gòu)建多種機器學(xué)習(xí)算法,包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、極限學(xué)習(xí)機和遺傳算法等,實現(xiàn)對FRP層合梁的分層損傷位置、大小和分層界面等參數(shù)的一一識別。對文中提出的用于分層損傷識別的機器學(xué)習(xí)算法進行了數(shù)值模擬案例和試驗實測案例的雙重驗證:(1)數(shù)值模型案例驗證中,首先建立了層合梁的理論模型、有限元模型以及基于BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機的代理模型等三種數(shù)值模型,基于這些數(shù)值模型生成了“分層損傷參數(shù)-頻率變化值”數(shù)據(jù)庫和一系列數(shù)值驗證案例用于驗證構(gòu)建的機器學(xué)習(xí)算法,并對比了分別采用三種數(shù)值模型進行分層識別的精度和所需運算時間。(2)試驗測量案例驗證中,首先制作了無損和含分層損傷的FRP層合梁試件,在一端固定的邊界條件下分別對其進行模態(tài)頻率測試和光纖光柵波長測試,實測的多階頻率變化值和光纖光柵波長漂移值被用于對構(gòu)建的機器學(xué)習(xí)算法進行試驗驗證。此外,基于頻率變化指標(biāo)的損傷識別方法中還對各機器學(xué)習(xí)算法的可變參數(shù)進行了分析討論,如數(shù)據(jù)庫大小、隱含層節(jié)點數(shù)、是否歸一化、輸入和輸出形式及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化方法等,最終確定適用于算法的最佳參數(shù)�；陬l率變化的數(shù)值驗證結(jié)果表明,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測效果最佳,案例數(shù)為165時的界面正確率高達98.15%,損傷位置和大小的絕對預(yù)測誤差分別為0.14%和0.17%。試驗驗證結(jié)果表明,支持向量機的識別效果最佳,其次是極限學(xué)習(xí)機、基于代理模型的遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),四種機器學(xué)習(xí)算法對損傷位置和大小的絕對預(yù)測誤差均控制在3.3%以內(nèi),而對于分層界面的識別,以支持向量機的分類識別效果最佳,正確率為100%。基于波長漂移的試驗驗證表明,將各光纖光柵的波長漂移、加載坐標(biāo)和加載值作為算法輸入時,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機均能正確輸出加載點和損傷之間的方位關(guān)系。綜上,本文得出的結(jié)論是,基于頻率變化和波長漂移的四種機器學(xué)習(xí)算法均能夠較為準(zhǔn)確地識別FRP梁的分層損傷,其中以支持向量機識別效果最佳。本文將頻率預(yù)測與光纖光柵的局部預(yù)測相融合,減少了利用光纖光柵識別的工作量,同時對直接基于頻率指標(biāo)的損傷位置和大小做進一步驗證和細化。
【圖文】：

圖 1-2 FRP 結(jié)構(gòu)的分層損傷料分層損傷的無損檢測技術(shù)技術(shù)（Non-destructive Identification, NDI）通過從測量的結(jié)物理量中提取出特征參數(shù)，根據(jù)其變化情況對損傷進行檢測點，僅憑單一技術(shù)很難解決所有的損傷檢測問題，以下將對損檢測方法及其優(yōu)缺點進行概述。測測（Ultrasonic Testing, UT）約占全球無損檢測領(lǐng)域的 80%，波，利用超聲波在不同介質(zhì)界面處會產(chǎn)生反射和折射等物理行檢測。在復(fù)合材料中，超聲波以準(zhǔn)縱向和準(zhǔn)橫向波的形式

圖 1-3 分層損傷會降低復(fù)合材料梁的固有頻率內(nèi)容究基于振動參數(shù)（模態(tài)頻率）和基于光纖光柵的結(jié)構(gòu)健對 FRP 層合懸臂梁的貫穿單分層損傷進行精準(zhǔn)預(yù)測。首過數(shù)值模型和模態(tài)測試分別生成多階頻率數(shù)據(jù)庫，用于實現(xiàn)對分層損傷位置、大小和界面的預(yù)測。其次，基于，在 FRP 層合梁的預(yù)測損傷周圍布置光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)光纖光柵解調(diào)儀得到各光柵的中心波長漂移值，同樣用測出分層損傷與加載位置之間的方位關(guān)系，，實現(xiàn)對分層層損傷參數(shù)的精確識別可為下階段的剩余壽命估計提供
【學(xué)位授予單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU37

【參考文獻】

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1 路士增;林蘭波;姜明順;賈磊;隋青美;賽耀樟;;基于光纖光柵傳感器的復(fù)合材料損傷識別系統(tǒng)[J];光學(xué)精密工程;2014年11期

2 宋遠佳;張煒;田干;楊正偉;金國鋒;;基于超聲紅外熱成像技術(shù)的復(fù)合材料損傷檢測[J];固體火箭技術(shù);2012年04期

3 黃紅梅;袁慎芳;常琦;;基于光纖Bragg光柵和支持向量機的沖擊損傷識別研究[J];振動與沖擊;2010年10期

4 袁慎芳;邱雷;王強;苗苗;余振華;;壓電-光纖綜合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究及驗證[J];航空學(xué)報;2009年02期

5 冉志紅;李喬;;基于模糊聚類和支持向量機的損傷識別方法[J];振動工程學(xué)報;2007年06期

6 莊小燕;陳浩然;;基于頻率和阻尼分析的含分層損傷復(fù)合材料層合板的損傷診斷[J];復(fù)合材料學(xué)報;2005年06期

7 信思金,羅裴,梁磊,姜德生,南秋明;基于光纖光柵和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)損傷識別[J];河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2005年02期

8 劉文峰,柳春圖,應(yīng)懷樵;通過頻率改變率進行損傷定位的方法研究[J];振動與沖擊;2004年02期

9 郁可,張永勝,姜德生,吳錫琪;光纖智能材料與結(jié)構(gòu)損傷估計的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理[J];山東建材學(xué)院學(xué)報;1998年02期

10 高芳清,金建明,高淑英;基于模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法研究[J];西南交通大學(xué)學(xué)報;1998年01期

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1 肖漢林;復(fù)合材料圓柱殼結(jié)構(gòu)動響應(yīng)及屈曲[D];華中科技大學(xué);2006年

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1 閆占霄;基于機器學(xué)習(xí)的蒙皮損傷紅外熱像圖識別技術(shù)[D];中國民航大學(xué);2015年

2 林敏;極限學(xué)習(xí)機在航空發(fā)動機氣路故障診斷中的應(yīng)用[D];上海交通大學(xué);2015年

3 李友坤;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究分析及改進應(yīng)用[D];安徽理工大學(xué);2012年

4 余龍;基于振動響應(yīng)信號的復(fù)合材料層合殼體結(jié)構(gòu)遺傳算法損傷檢測[D];西北工業(yè)大學(xué);2004年

本文編號：2615195