【摘要】：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗振動(dòng)、吸波透波、絕緣隔音、外觀設(shè)計(jì)靈活和可塑性強(qiáng)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(chǔ)存、運(yùn)輸、服役及維修過(guò)程中因遭受中低速?zèng)_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(jì)載荷水平下失效,帶來(lái)嚴(yán)重的安全事故和重大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此,對(duì)FRP層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行早期損傷診斷和識(shí)別顯得尤為重要。本文以FRP復(fù)合材料層合梁為研究對(duì)象,分別以損傷發(fā)生前后的振動(dòng)參數(shù)(模態(tài)頻率)變化值和光纖光柵波長(zhǎng)漂移值為損傷指標(biāo),通過(guò)構(gòu)建多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法,包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、極限學(xué)習(xí)機(jī)和遺傳算法等,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)別。對(duì)文中提出的用于分層損傷識(shí)別的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了數(shù)值模擬案例和試驗(yàn)實(shí)測(cè)案例的雙重驗(yàn)證:(1)數(shù)值模型案例驗(yàn)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(jī)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(kù)和一系列數(shù)值驗(yàn)證案例用于驗(yàn)證構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,并對(duì)比了分別采用三種數(shù)值模型進(jìn)行分層識(shí)別的精度和所需運(yùn)算時(shí)間。(2)試驗(yàn)測(cè)量案例驗(yàn)證中,首先制作了無(wú)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(duì)其進(jìn)行模態(tài)頻率測(cè)試和光纖光柵波長(zhǎng)測(cè)試,實(shí)測(cè)的多階頻率變化值和光纖光柵波長(zhǎng)漂移值被用于對(duì)構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。此外,基于頻率變化指標(biāo)的損傷識(shí)別方法中還對(duì)各機(jī)器學(xué)習(xí)算法的可變參數(shù)進(jìn)行了分析討論,如數(shù)據(jù)庫(kù)大小、隱含層節(jié)點(diǎn)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(yàn)證結(jié)果表明,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)效果最佳,案例數(shù)為165時(shí)的界面正確率高達(dá)98.15%,損傷位置和大小的絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差分別為0.14%和0.17%。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,支持向量機(jī)的識(shí)別效果最佳,其次是極限學(xué)習(xí)機(jī)、基于代理模型的遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),四種機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)損傷位置和大小的絕對(duì)預(yù)測(cè)誤差均控制在3.3%以內(nèi),而對(duì)于分層界面的識(shí)別,以支持向量機(jī)的分類識(shí)別效果最佳,正確率為100%�；诓ㄩL(zhǎng)漂移的試驗(yàn)驗(yàn)證表明,將各光纖光柵的波長(zhǎng)漂移、加載坐標(biāo)和加載值作為算法輸入時(shí),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)均能正確輸出加載點(diǎn)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(zhǎng)漂移的四種機(jī)器學(xué)習(xí)算法均能夠較為準(zhǔn)確地識(shí)別FRP梁的分層損傷,其中以支持向量機(jī)識(shí)別效果最佳。本文將頻率預(yù)測(cè)與光纖光柵的局部預(yù)測(cè)相融合,減少了利用光纖光柵識(shí)別的工作量,同時(shí)對(duì)直接基于頻率指標(biāo)的損傷位置和大小做進(jìn)一步驗(yàn)證和細(xì)化。
【圖文】：

圖 1-2 FRP 結(jié)構(gòu)的分層損傷料分層損傷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)技術(shù)（Non-destructive Identification, NDI）通過(guò)從測(cè)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(duì)損傷進(jìn)行檢測(cè)點(diǎn)，僅憑單一技術(shù)很難解決所有的損傷檢測(cè)問題，以下將對(duì)損檢測(cè)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行概述。測(cè)測(cè)（Ultrasonic Testing, UT）約占全球無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的 80%，波，利用超聲波在不同介質(zhì)界面處會(huì)產(chǎn)生反射和折射等物理行檢測(cè)。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(huì)降低復(fù)合材料梁的固有頻率內(nèi)容究基于振動(dòng)參數(shù)（模態(tài)頻率）和基于光纖光柵的結(jié)構(gòu)健對(duì) FRP 層合懸臂梁的貫穿單分層損傷進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。首過(guò)數(shù)值模型和模態(tài)測(cè)試分別生成多階頻率數(shù)據(jù)庫(kù)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)分層損傷位置、大小和界面的預(yù)測(cè)。其次，基于，在 FRP 層合梁的預(yù)測(cè)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(zhǎng)漂移值，同樣用測(cè)出分層損傷與加載位置之間的方位關(guān)系，，實(shí)現(xiàn)對(duì)分層層損傷參數(shù)的精確識(shí)別可為下階段的剩余壽命估計(jì)提供
【學(xué)位授予單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU37

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2615195