基于振动测试的载人潜水器结构损伤识别技术

2019-09-23赵子毅丁忠军2奕2潘文超

无损检测 2019年9期

赵子毅，丁忠军2，张奕2，潘文超

(1.青岛科技大学自动化与电子工程学院，青岛 266100；2.国家深海基地管理中心,青岛 266061)

随着各国经济的不断发展和世界人口的不断增加，对于海洋资源的勘探与开发成为21世纪人类社会发展的重要依托。载人潜水器是深海运载装备的一种，是深海战略中的前沿技术,得到了世界发达国家的高度重视[1]。载人潜水器是深海资源勘查与实现科学研究的重要运载工具，在未来世界海洋资源的开发中占有重要的地位。但是由于载人潜水器的工作环境复杂，其不断受到的变化荷载与外部冲击，会对其结构造成损伤。根据统计，在20142018年间，每航次结束后都发现潜水器框架有不同程度的损伤，共检测到161处缺陷，其中构件连接处即焊缝处出现裂纹的频率最高[2]。因此，对于载人潜水器的维护保障与运行管理变得尤为重要。我国载人潜水技术还处于起步阶段，各方面技术均比较薄弱，加上载人潜水器材料的特殊性以及结构的复杂性，对于载人潜水器的现场维护维修是一个巨大的挑战。一般情况下，对载人潜水器的快速损伤，常采用目视法检测，该方法准确率低下；或待航次结束后，在陆地上对拆卸后的载人潜水器进行着色检测，工作效率低下且成本较高；目前常用的超声检测并不适用于焊缝连接处；射线检测、磁粉检测等方法的效率较低，操作复杂且成本高。因此，针对上述情况，需要一种快速、即时评估的技术手段，对甲板上带载潜水器进行快速损伤检测，从而提高工作效率，节约成本。

基于振动测试的损伤检测方法是一种有效的结构损伤检测方法，能够快速对结构进行损伤分析，得到了广泛的研究与应用。对结构施加振动激励信号，通过传感器采集该振动响应信号，若结构中出现损伤，采集的结构振动响应信号中将会包含有相应的损伤信息[3]。目前,已经有大量专家学者提出了基于振动测试对结构进行损伤识别的方法，在国外，ALVANDI等[4]对振动测试的结构损伤检测进行过评估。RUCKA利用小波变换的方法识别了结构平台的振动响应信号[5]。在国内，郭健[6]利用小波分析对振动测试情况下的损伤识别进行了研究，并成功判别了损伤。余竹等[7]利用小波包能量曲率差法对振动测试的响应信号进行分析,同样得到了损伤差异。但是上述研究中，都是对桥梁等结构进行分析试验，而载人潜水器自身结构复杂，并且材料为钛合金，针对其结构特点进行研究并得出损伤指标就成为了一个重要课题。

因此，笔者将振动测试损伤检测的方法应用于载人潜水器架构上，通过加速度传感器采集振动响应信号，搭配LabVIEW上位机采集数据。使用二进离散小波变换求得振动响应信号的相对能量曲率，然后利用小波包变换得到小波包能量，结合两者定义了损伤联合评估方法的损伤指标。最后根据试验数据分析得到，该联合评估方法能够对载人潜水器的结构损伤进行差异判别，能够应用于载人潜水器等深海运载装备中，具有较好的应用前景。

1 载人潜水器联合损伤识别评估方法

小波分析是在傅里叶变换的基础上发展起来的信号处理方法，有能在时域与频域上表征信号局部特征的能力。三层小波分析及小波包分析分解示意如图1所示(j为分解层次)，图中以三层分解为例，通过小波分析的方法对信号进行树形分解。

图1 三层小波分析及小波包分析分解示意

如图1所示，小波分解虽然具有多分辨率的特点，但是其主要对低频部分进行分解，对高频段的分辨率差，因此仅适用于部分特性信号。而小波包分析将每一层的所有子带都进行分解，并传递至下层，从而达到对高频与低频都进行分解的目的。所以对于信号的分析，小波包分析是在小波分析的基础上进行了加强。

1.1 小波分析能量的算法

通过图1可知，小波分析中原始信号与分解的子带信号间具有如下的关系

f(t)=A1+D1+AA2+DA2+AAA3+DAA3

(1)

式中：A1，AA2，AAA3为低频近似部分；D1，DA2，DAA3为高频细节部分。

根据式(1)分析可以得知，若存在一个振动响应信号，只要选取合适的分解层次，便能够将所需要的频率成分落入某一频带内。

采用小波分解信号的相对能量曲率差法进行损伤识别[8-10]。首先，对结构施加瞬态冲击激励，为了使各阶频率信号分布在不同的频带上，需要选取合适的分解层次。假定进行探测的传感器数目为n，经过激励冲击后各传感器收到的响应信号经过小波分解后的信号向量Y为

Y={y1(t),y2(t),…,yn-1(t),yn(t)}

(2)

式中:yn(t)为第n个传感器接收到的振动信号；向量Y中包含有各个传感器采集的振动响应信号信息。

设第n个传感器的振动响应信号yn(t)的能量为

(3)

式中：T为信号采样时间。

根据式(3)可得信号能量向量E为

E={E1,E2,…,En-1,En}

(4)

1.2 小波包分析能量的算法

当对结构施加一个外部冲击响应时，由于结构中出现损伤的部位会对激励信号中的某些频率成分造成增强，而对另一些频率成分造成抑制。所以无损与损伤部位进行对比时，相同频带的能量会有差异。因此需要通过小波包变换求出不同频带的能量信号。

选取各个频带信号的平方和作为能量的标志

(5)

式中：Ei为各个频带能量；M为样本长度；fi(k)为某一频带的重构子信号。

1.3 联合损伤识别指标

根据上述的能量计算方法，需要分别对其进行能量归一化处理

(6)

Pi=Ei/(∑Ei)

(7)

式中：Pi为第i频带上的能量曲率。

由式(6)将得到信号相对能量向量e={e1,e2,…,en-1,en}，e代表各传感器所测振动信号的相对强弱状态。由式(7)将各频带的能量进行归一化处理。通过式(8)求得第n处传感器的相对能量曲率。

(8)

式中：ln,ln+1分别为测点n+1与测点n的距离。

然后利用式(9)求得总体相对能量，并将其作为联合损伤识别指标。

K=Δn+∑ΔPi

(9)

图2 “蛟龙号”载人潜水器架构

2 材料与方法

2.1 平台与对象

潜水器框架由多规格钛合金型材组焊而成，主要焊缝是型材本身拼焊的角焊缝和型材的对接焊缝。根据近几年对潜水器框架结构损伤的统计，裂纹出现频率较高的位置是强构件与弱构件连接处、弱构件与弱构件连接处，占总缺陷量的36.7%和21.1%[2]。所以，文章在潜水器大修期间，针对构件焊缝连接处进行了振动测试研究。

试验所采集的数据均来自“蛟龙号”载人潜水器(见图2)。对去载后的“蛟龙号”载人潜水器进行损伤检测，选取损伤点进行测试分析。

2.2 测试系统

在对“蛟龙号”载人潜水器进行振动测试的试验中，利用程控电源、数据采集卡、四路加速度传感器与Labview采集软件构成完整的测试采集系统。程控电源对四路加速度传感器进行供电，传感器将接收到的信号送至数据采集卡，试验中采用的数据采集卡为4通道，因此可以同时接收4路传感器信号，数据采集卡通过USB传入LabVIEW上位机。测试系统原理示意如图3所示。

图3 测试系统原理示意

试验装置中程控电源采用Keysight Technologics公司的N5766A型程控电源，加速度传感器采用LANCETEC公司的ULT100型号，数据采集卡采用NATIONAL INSTRUMENTS公司的NI cDAQ-9174型号，使用LabVIEW2017版本对信号进行接收存储。

2.3 试验过程

在试验过程中，针对“蛟龙号”载人潜水器的结构特点和结构损伤统计报告，选取关键部位进行对比检测，分别在“蛟龙号”载人潜水器的3个部位，1栈、2栈、4栈处选取结构裂纹部位放置两路加速度传感器，并根据潜水器架构的对称性，在其轴对称位置结构无损伤处放置另外两路加速度传感器进行比较，共4路传感器，通过编写的LabVIEW软件对信号进行采集。

图4 传感器安放位置外观

选取4栈处，即蓄电池安放处进行结构损伤分析，在4栈结构损伤处的两侧安放两路加速度传感器A与B，并在其对称位置无损处安放另外两路加速度传感器C与D，传感器安放位置如图4所示，A与C结构对称，B与D结构对称。其传感器编号与安放位置见表1，安放好传感器后，对1栈螺栓后横梁中心施加振动信号，在此位置上进行3次振动激励和信号采集。

表1 传感器编号与安放位置

3 试验结果

通过上述试验方法，给予中心横梁处一个振动冲击信号，利用安置于“蛟龙号”载人潜水器架构上的4路加速度传感器采集振动响应信号，利用NI数据采集卡采集信号，采样频率为500 kHz，再将采集的数据传输至电脑，利用LabVIEW上位机软件实现波形的存储。图5为3次冲击试验中的某次波形图，其中损伤A,B处为Sensor-01与Sensor-02信号，无损伤C,D处为Sensor-03与Sensor-04信号。

图5 4路振动响应信号

由于采样频率设置较高，所以采样点数量较大，为方便图5中只显示有效信号，从波形图中可发现，采集的振动响应信号噪声信号很小，对后期的信号处理十分有利。根据上文中各传感器的对应关系可知,Sensor-01传感器与Sensor-03传感器对应，Sensor-02传感器与Sensor-04传感器对应，其中Sensor-01与Sensor-02处为损伤部位。

对4路振动响应信号绘制频谱图,如图6所示。

对4路波形进行小波分析，采用离散小波变换，选取db4小波基进行9层分解，根据频谱图的分析，只保留05 kHz区域的子带信号。图7,8分别为A点和C点处小波子带重构信号波形与频谱。根据频谱图特性，只保留a9,d9,d8,d7,d6部分。

通过图7，8可以发现，小波分析能够对振动响应信号中叠加的模态信息进行分离，使分离的模态信息分布在不同的频率带上。从图中可以发现各个子频带上具有明显的差异。同理，小波包变换选用db4作为小波基，熵的类型为shannon。