復(fù)合材料層合板裂紋損傷智能診斷系統(tǒng)的研究

王基月 李寧 賀躍進(jìn)

摘 要 專家系統(tǒng)是人工智能的重要應(yīng)用領(lǐng)域，智能診斷是專家系統(tǒng)的一個(gè)類型。復(fù)合材料層合板出現(xiàn)故障時(shí)，材料內(nèi)部能量的變化對(duì)外表現(xiàn)為明顯的動(dòng)態(tài)特性的變化，由此推斷系統(tǒng)的故障所在，得到診斷策略，形成知識(shí)規(guī)則，建立知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建智能診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料故障的智能化診斷。

關(guān)鍵詞 智能診斷 動(dòng)態(tài)特性 診斷策略 知識(shí)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TB33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Intelligent Diagnosis System of

Composite Laminates Crack Damage

WANG Jiyue[1], LI Ning[2], HE Yuejin[3]

([1] Zhengzhou Yutong Heavy Industries Construction Crane Institute, Zhengzhou, He'nan 450051;

[2] Zhengzhou Jiaotong University, Zhengzhou, He'nan 450062;

[3] Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, He'nan 450002)

Abstract Expert system is an important application areas of artificial intelligence, intelligent diagnosis is a type of expert system. Composite laminate failure, material changes in internal energy of the external performance of significant changes in the dynamics, where the failure to infer the system, get diagnostic strategies, the formation of knowledge and rules, building a knowledge base, build intelligent diagnosis system to achieve complex fault diagnosis of intelligent materials.

Key words intelligent diagnosis;dynamic characteristic; diagnostic strategy; knowledge base

0 引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及良好的抗疲勞損傷和耐腐蝕性能的優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)、建筑、土木工程、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，隨著科學(xué)研究技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各領(lǐng)域的使用比例逐年增大。①

在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，壓電智能材料與彈性材料分層鋪設(shè)，復(fù)合成一種新的智能材料，當(dāng)外界條件改變時(shí)，智能材料被驅(qū)動(dòng), 智能材料就可以帶動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變。②③

復(fù)合材料雖然性能優(yōu)越，但其制造工藝和材料本身的性能特點(diǎn)，使得復(fù)合材料及其構(gòu)件在制造過(guò)程產(chǎn)生缺陷，在使用過(guò)程中受到損傷， 本身的缺陷和外環(huán)境的加劇導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，致使復(fù)合材料基體破壞或?qū)娱g開(kāi)裂（如圖1所示），從而影響復(fù)合材料的機(jī)械性能，降低使用壽命。智能材料具有復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)和多種增強(qiáng)相混雜、多物理場(chǎng)的耦合，多場(chǎng)耦合往往表現(xiàn)出組分材料所沒(méi)有的附加特性，但是某些具有耦合性能的材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出脆性、易斷裂等缺陷。④⑤復(fù)合材料大多用于外環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合，而這些缺陷和損傷難免在使用過(guò)程中累積，一旦出現(xiàn)事故，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此研究適合復(fù)合材料本身特性的智能化診斷策略勢(shì)在必行。

鑒于復(fù)合材料種類的多樣化，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及制造中的缺陷和工作過(guò)程中損傷的產(chǎn)生、累積，現(xiàn)有檢測(cè)方法的局限性及檢測(cè)者水平的高低等因素的影響，都給安全、經(jīng)濟(jì)、有效的使用復(fù)合材料帶來(lái)了很大的障礙，而智能化診斷的專家系統(tǒng)綜合處理了多個(gè)專家的經(jīng)驗(yàn)，為缺少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)者提供所需經(jīng)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)決策過(guò)程的自動(dòng)化及友好的人-機(jī)界面，這樣智能化的診斷系統(tǒng)在研究和應(yīng)用中顯得更為迫切和重要。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層合板典型損傷的智能診斷，必須把從試驗(yàn)中得到的診斷策略寫(xiě)成知識(shí)規(guī)則的形式，構(gòu)成診斷知識(shí)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建診斷專家系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能診斷。

1 智能診斷系統(tǒng)

專家系統(tǒng)(Expert System)作為人工智能(AI)的一個(gè)重要分支，它是一種能像某一領(lǐng)域?qū)＜夷菢酉蛴脩籼峁┙鉀Q問(wèn)題方法的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。⑥⑦專家系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)⑧是能夠?yàn)樽罱K的結(jié)論提供整個(gè)推理過(guò)程的解釋，用戶就可以了解、分析、判斷系統(tǒng)推理的正確性。專家系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：充分發(fā)揮專家經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)、有效處理組合問(wèn)題、減少故障頻率、提高可靠性并加快響應(yīng)時(shí)間等等。專家系統(tǒng)技術(shù)在日本工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用，像質(zhì)量診斷、混凝土開(kāi)裂診斷、材料設(shè)計(jì)等。⑨診斷是專家系統(tǒng)的一個(gè)類型，是根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，推斷系統(tǒng)的故障所在。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理，得到診斷策略，構(gòu)成知識(shí)庫(kù)（如圖2所示）。

根據(jù)本課題已經(jīng)研究的初步成果：復(fù)合材料層合板裂紋診斷的實(shí)驗(yàn)研究，⑩可以建立復(fù)合材料層合板典型損傷的知識(shí)庫(kù)。

2 診斷策略

根據(jù)前述研究成果的頻域分析和小波分析(如圖3所示)得到的結(jié)論，總結(jié)得到復(fù)合材料層合板裂紋損傷的診斷策略。首先排除生產(chǎn)過(guò)程中缺陷的影響，即認(rèn)為材料是處于完全的健康狀態(tài)。此后由于外部工況環(huán)境的影響，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，形成一些初始的損傷。

基于復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)特性十分敏感，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究從動(dòng)態(tài)特性入手，給出以下診斷規(guī)則：（1）幅值，當(dāng)基頻上升且系統(tǒng)的振幅有規(guī)律下降時(shí)，初步認(rèn)為結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了微裂紋。（2）相位，當(dāng)相位有負(fù)方向的移動(dòng)，出現(xiàn)新的高頻分量，幅頻曲線出現(xiàn)毛刺，斷定已經(jīng)產(chǎn)生裂紋。（3）對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻域分析和小波分析，以此確定裂紋損傷的置信度。

在微裂紋產(chǎn)生的基礎(chǔ)上裂紋將逐步擴(kuò)展，此時(shí)材料的應(yīng)變硬化作用消失，材料的剛度損失增強(qiáng)。因此，復(fù)合材料的微裂紋擴(kuò)展到一定程度后，系統(tǒng)的幅值逐漸增大，基頻向低方向移動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)均出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)，可以判定材料已經(jīng)失效。

3 診斷知識(shí)庫(kù)

以上診斷策略可以寫(xiě)成知識(shí)規(guī)則的形式，構(gòu)成診斷知識(shí)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建診斷專家系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)智能診斷。

專家系統(tǒng)的關(guān)鍵是知識(shí)庫(kù)，即知識(shí)庫(kù)中知識(shí)規(guī)則的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平。

知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)必須表示為規(guī)范形式。常用產(chǎn)生式規(guī)則表示法。其基本形式如下：IF<條件1><條件2>……THEN<結(jié)論1><結(jié)論2>……其中條件是已有的數(shù)據(jù)，由條件到結(jié)論的過(guò)程即是模擬人類專家的思維過(guò)程。

產(chǎn)生式規(guī)則具有與人類思想方式接近的特點(diǎn)，能有效、簡(jiǎn)潔地表達(dá)領(lǐng)域知識(shí),是專家系統(tǒng)應(yīng)用中最廣泛的知識(shí)表達(dá)方式。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層合板典型損傷的計(jì)算機(jī)智能診斷，采用Delphi語(yǔ)言，將上述診斷策略寫(xiě)成了IF…THEN…結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生式規(guī)則，為以后研制智能診斷專家系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)研究中依據(jù)層合板內(nèi)部能量的變化表現(xiàn)為明顯的動(dòng)態(tài)特性推斷出復(fù)合材料層合板的裂紋損傷的所在，形成診斷策略，列寫(xiě)知識(shí)規(guī)則和建立知識(shí)庫(kù)等，這些為復(fù)合材料在使用過(guò)程中在線診斷、故障分析與預(yù)測(cè)維護(hù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而專家系統(tǒng)中知識(shí)獲取的不確定性、專家經(jīng)驗(yàn)的不一致性，特別是開(kāi)發(fā)專家系統(tǒng)所需的費(fèi)用和時(shí)間是兩個(gè)重要的影響因素，因此有待于進(jìn)一步的研究。

注釋

① 沈軍,謝懷勤.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工藝,2008.16(5):737-740．

② Tauchert TR, Ashida F, Noda N, et al. developments in thermopiezoelasticity with relevance to smart composite structures. Composite Struotures,2000.48:31-38．

③ Lombardi AV. Technological ptimization of a smart ther-mosetting aeronautical composite subject to fatigue bend-ing loadings. Progress in aerospace Science,2003.39:385-404．

④ 楊慶生,劉健.智能復(fù)合材料的應(yīng)用與力學(xué)研究進(jìn)展[J].力學(xué)與實(shí)踐,2008.30(6):15-16.

⑤ 閆國(guó)良,張?jiān)?劉興宇.民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)維修大綱的制定[J]．民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究,2008(3):17-18．

⑥ E·麗奇.人工智能引論[M].廣州:廣東科技出版社,1986．

⑦ 朱福喜,湯怡群,傅建明.人工智能原理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002．

⑧ Galbraith L,AL-Najjar M， Babu A J G. Expert system in engineering [J].IEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,1988.3(2):12-14.

⑨ 許力.智能控制與智能系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

⑩ 賀躍進(jìn),張恒.復(fù)合材料層合板裂紋診斷的實(shí)驗(yàn)研究[J].2008(2):23-25.