kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)合材料損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

1、第 2 0 卷 第 4 期 V0 1．20No ．4材 料 科 學(xué) 與 工 程 M a t e r i a l sSc i e n c e & Eng i ne e r in g總 第 8 0 期 De c．2002文 章 編 號(hào) ： 1 0 0 4 - 7 9 3 XI 2 O O 2 ) 0 4 ． 0 5 1 3 ． 0 4Ko h o n e n神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 在 復(fù) 合 材 料 損 傷 主 動(dòng) 監(jiān) 測(cè) 技 術(shù) 中 的

2、應(yīng) 用 王 磊 。 袁 慎 芳 I 南 京 航空 航天 大學(xué) 航 空 科技 智能 材料 結(jié)構(gòu) 重 點(diǎn) 實(shí)驗(yàn) 室 。 江 蘇南 京 2 1 0 0 1 6 )【 摘 要 】主動(dòng) 監(jiān)測(cè) 技 術(shù)是 近幾 年來 發(fā) 展起 來 的復(fù)合 材 料損 傷 監(jiān) 測(cè) 的新 技 術(shù) 。本 文 將 K o h o n e n自組織 特 征 映射 神 經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 與主動(dòng) 監(jiān) 測(cè)技 術(shù)相 結(jié)合 應(yīng) 用于 復(fù)合 材料 損 傷 監(jiān) 測(cè) 中 。該 方法 具 有 結(jié) 構(gòu)算

3、法 簡(jiǎn) 單 、 無 導(dǎo) 師 監(jiān)督 學(xué) 習(xí) 和側(cè) 向聯(lián)想 等功 能 。根據(jù) 此 方法 及 虛擬儀 器 技 術(shù) ， 設(shè)計(jì) 開 發(fā) 了 相應(yīng) 的復(fù) 合材 料結(jié) 構(gòu) 損傷 監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng) 。 經(jīng) 復(fù)合 材 料 損傷 監(jiān) 測(cè)實(shí) 例 驗(yàn)證 ， 是 一 種 十分有 效 的損 傷檢 測(cè)方 法 ?！?關(guān) 鍵詞 】自組織 特 征映 射神 經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) ； 主動(dòng)監(jiān) 測(cè) ； 復(fù)合 材料 中 圖 分 類 號(hào) ： T P 1 8 ； T B 3 0 3文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼

4、 ： AAp p l i c a t i o no fKo h o n e nS e l f - Or g a n i z i n gF e a t u r eNe t wo r kt oAc t i v eDa m a g eM o n i t o r i n gTe c h n i q u ef o rCo m p o s i t e sW ANG Le i ，YUAN S he n- f a ng( A e r o n a u

5、 t i cKe yL a b o r a t o r yf o rS ma r tMa t e r i a l sa n dS t r u c h n ' e s ，~ a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n d A s tm鋤，N她2 1 0 0 1 6， C h i n a )【 A b s t r a c t 】 A c t i v em o n

6、 i t o r i n gt e c h n i q u ei sa l le m e r g i n go n eu s e df o rd a m a g ed e t e c t i n g ． T h i sp a p e ra p p h e san e wc o m b i n e dm e t h o do fK o h o n e ns el f - o r g a n i z i n gf e a t u r en

7、e u r a ln e t w o r ka n da c t i v ed a m a g emo n i t o r i n gt e c h n i q u et oc o mp o s i t e s ． T h ep r o p o s e dme t h o df e a t u r e sas i mp l es t r u c t u r ea l g o r i t h m ， u n s u p e r v i s

8、 e ds el f - s t u d ya ndl a t e r a la s s o c i a t i o n， e t c ． Ac c o r d i n gt os u c hme t h o da n dt h ev i r t u a li n s t r u me n tt e c h ．n i q u e， a na c t i v ed a m a g emo n i t o r i n gs y s t e

9、m f orc o mp o s i t e si sd e v e l o p e d， T h i se f e c t i v eme t h o df ord a m a g ed e t e c t i o nh a sb e e nv e r i f i e di nt h ec o u r s eo fi t spr a c t ic a lu s e，-【 K e y】 s e l f - o r g a n i z

10、i n gf e a t u r en e u r a ln e t wo r k ； a c t i v ed e t e c t i o n ； c o m p o s i t e1前 言 復(fù)合 材 料 比重 輕 ， 強(qiáng) 度 高 ， 剛 度 大 ， 在 飛 機(jī) 上 的 應(yīng) 用 越 來 越 多 ， 范 圍也 越來 越廣 ， 以空 中 客車 A 3 4 o為 例 ， 復(fù) 合材 料 的用量 約 占結(jié) 構(gòu) 重 量 的 8 ％ ， B 一 7

11、 7 7占 1 1 ％。 目前 用 于 復(fù) 合 材 料 的無損 檢 測(cè)方 法對(duì) 飛 機(jī) 中的 復(fù)合材 料 損傷 檢測(cè) 都是 非 在 線和 局部 的基 于實(shí)驗(yàn) 室 條件 ”J ， 由于損 傷難 以用 肉眼 確定 位置 ， 因此 采 用這 些方法 費(fèi)工 、 費(fèi)時(shí) ， 成 本也 較高 ， 而 且 不能 實(shí)時(shí) 在線 監(jiān) 測(cè) ， 會(huì) 使很 多損 傷不 能 及時(shí) 發(fā)現(xiàn) 并維 修 。復(fù)合 材 料結(jié) 構(gòu) 主動(dòng) 監(jiān) 測(cè)技 術(shù)是 近 年 來 新 興 技 術(shù)

12、 ， 為 實(shí) 現(xiàn) 復(fù)合材 料 損傷 的 在線 和實(shí) 時(shí)監(jiān) 測(cè) 提供 了新 的途 徑 】 。人 工神 經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 以其 記 憶 、 聯(lián) 想 和學(xué) 習(xí) 等 功 能 在 復(fù) 合 材 料 的損 傷識(shí) 別及 監(jiān) 測(cè) 領(lǐng) 域 受 到 廣泛 關(guān) 注 ， 其 中研 究 和 應(yīng) 用 較 多的是 B P神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 及 其 改 進(jìn) 算 法 。 本 文 把 K o h o n e n自組織 特 征映 射神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 應(yīng) 用 于 復(fù)合 材 料 主 動(dòng) 監(jiān)測(cè)

13、技 術(shù) 中 ，該 法 吸收 了主 動(dòng)監(jiān) 測(cè) 技 術(shù) 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 更重 要 的是 它 實(shí) 現(xiàn) 了無 導(dǎo)師 監(jiān)督 的損 傷 監(jiān)測(cè) ， 而且 具有 結(jié) 構(gòu)算 法 簡(jiǎn)單 ， 學(xué) 習(xí)速 度快 和側(cè) 向聯(lián) 想 等功 能 。2復(fù)合 材 料 結(jié)構(gòu) 主 動(dòng)監(jiān) 測(cè) 技 術(shù) 復(fù) 合材 料結(jié) 構(gòu) 主 動(dòng) 監(jiān) 測(cè) 技 術(shù) 源 于 智 能 材 料 結(jié) 構(gòu) 的 思 想 ， 為復(fù) 合材 料 在線 損傷 監(jiān)測(cè) 提 供 了一 條新 的解 決 途徑 。主動(dòng)監(jiān) 測(cè) 技術(shù)

14、的 原理 是 ： 采 用 驅(qū) 動(dòng) 器 在 復(fù) 合 材 料 表 面 激 發(fā) 主動(dòng)監(jiān) 測(cè) 信號(hào) ， 與此 同 時(shí)傳 感 器 在 同一 表 面 的其 他 一 個(gè) 或 多個(gè)地 方 接收 結(jié)構(gòu) 響 應(yīng)信 號(hào) ， 并 對(duì) 響應(yīng) 信 號(hào)進(jìn) 行分 析 ，據(jù) 此對(duì) 結(jié) 構(gòu) 中 的損 傷 進(jìn)行 監(jiān)測(cè) 。結(jié) 構(gòu) 內(nèi)部 的各種 損 傷會(huì) 引 起 應(yīng) 力集 中 、 裂紋 擴(kuò) 展 ， 這 些 以及損 傷 周 圍 的邊界 都 會(huì) 引起 在 結(jié) 構(gòu) 中傳播 的主動(dòng) 監(jiān)

15、測(cè) 信 號(hào) 的散 射和 能量 的吸收 j 。主動(dòng) 監(jiān)測(cè) 技 術(shù)可 分 為 四個(gè)過 程 ： ( 1 ) 主動(dòng) 監(jiān)測(cè) 信 號(hào) 的激 發(fā) ， ( 2 ) 信號(hào) 在 材料 中 的傳播 ， ( 3 ) 監(jiān)測(cè) 信 號(hào) 的 接 收 ， ( 4 ) 監(jiān)測(cè) 收稿 日期 ： 2 0 0 2 - 0 4 ． 1 4 ； ， I 訂 日期 ： 2 0 0 2 - 0 5 ． 2 5基 盒 硬 目 ： 國 家 自然 科 學(xué) 基 金 ( 5 0 1 3 5 0 3

16、 0 ) 、 十 五 國 防 研 究 ( J I 6 0 0 E O 0 1 ) 和 江 蘇 省 3 3 3 專 項(xiàng) 基 金 資 助 項(xiàng) 目作 者 簡(jiǎn) 介 ： 王 磊 ( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 山 東 榮 成 人 ， 研 究 生 ， 主 要 從 事 智 能 材 料 結(jié) 構(gòu) 和 測(cè) 控 技 術(shù) 等 方 面 的 研 究 維普資訊 http://www.cqvip.com 第 2 0卷第 4期 王 磊 ， 等 ． K o h

17、o n e n神 經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 在 復(fù)合 材料 損 傷 主動(dòng) 監(jiān)測(cè) 技術(shù) 中的 應(yīng)用 由于這 6種參 數(shù) 的 量 綱 和 數(shù) 量 級(jí) 有 差 別 ， 若 將 這 6個(gè) 分量 直 接輸 入 到 自組 織 神 經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 中 ， 則 網(wǎng) 絡(luò)診 斷 結(jié) 果 不 穩(wěn) 定 ， 產(chǎn) 生 誤 判 。所 以 ， 為 了 消 除 特 征 向 量 x各 分 量 單 位 的 差 別 和數(shù) 量 級(jí)的不 同 ， 采 用 如 下 的數(shù) 據(jù) 規(guī) 格 化 方 法 使每 個(gè)

18、分 量 統(tǒng)一 于 某種 共 同 的數(shù)值 范 圍 內(nèi) 。式 中 = 百 16= √k = lc一將表 1 經(jīng) 過數(shù) 據(jù) 規(guī)格 化 處理 后得 表 2 。表 2 規(guī) 格 化 的 損 傷 訓(xùn) 練 樣 本 Ta b l e2Da t aNo r m a l i z i n go fS t a n d a r dDa m a g eTr a i ni n g Dat a 4 ． 2 網(wǎng) 絡(luò) 訓(xùn) 練 及 其 結(jié) 果 由輸 入 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)

19、特 征 向量 x的 維 數(shù) ， 可 以確 定 自組 織 神 經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 的輸 入 層 由 6個(gè) 神經(jīng) 元 組成 。輸 出層 的 神 經(jīng)元 個(gè) 數(shù) 將 直接 影 響診 斷結(jié) 果 的準(zhǔn) 確 性 ?： 若 輸 出層神 經(jīng) 元 個(gè) 數(shù) 過 少 ， 將 有 可能 把 相似 的損 傷識(shí) 別 為 同種 損 傷 ， 導(dǎo)致 誤 診 ；若輸 出層 神 經(jīng)元 個(gè) 數(shù) 過 多 ， 一 方 面 降 低 網(wǎng) 絡(luò) 學(xué) 習(xí)速 度 和效 率 ， 另 一方 面可 能 診 斷

20、不 出偏 離標(biāo) 準(zhǔn)樣 本 較 遠(yuǎn)的損 傷 ， 造成 漏診 。根據(jù) 以上 原 因 和 實(shí) 際監(jiān) 測(cè) 情 況 ， 輸 出 層 神 經(jīng)元 個(gè)數(shù) 定位 6 4個(gè) ( 8×8 ) 。將 所 有標(biāo) 準(zhǔn) 訓(xùn) 練 樣本 知識(shí) 輸 入 到 自組 織 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 中去 ， 系統(tǒng) 經(jīng) 過 訓(xùn) 練 ， 反復(fù) 調(diào) 整 權(quán) 值 ， 訓(xùn) 練 完成 后 在輸 出層 映 射 的結(jié) 果 如 圖 2所 示 。 圖 2中的 P 。 ， P 2 ， P 3 ，P 4和

21、 分別 標(biāo) 明 了各個(gè) 標(biāo) 準(zhǔn) 損 傷 樣 本 在 網(wǎng) 絡(luò)輸 出層 平 面 的映 射 位置 。訓(xùn) 練完 成 后 ， 記下 網(wǎng)絡(luò) 的連結(jié) 權(quán)值 ， 以備診 斷 時(shí)使 用 。圖 2 標(biāo) 準(zhǔn) 樣 本 的 訓(xùn) 練 結(jié) 果 F i g． 2Ne t wo r kMa p p i n gRe s u l t so fS t a n d a r dDa ma g eT r a i n i n gDa t a5損傷 診 斷 實(shí)例 及 監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng) 的

22、開 發(fā) 我們 開 發(fā) 了相應(yīng) 的復(fù)合 材 料損 傷 監(jiān)測(cè) 系 統(tǒng) 。圖 3所示 系統(tǒng) 的硬 件組 成 ， 即復(fù) 合 材料 主動(dòng) 監(jiān) 測(cè) 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成 圖。 其 中數(shù) 據(jù)采 集 板 使 用 K e i t h l e y公 司 的 D A S 1 8 0 2 A O板 ， 該 板 的 采樣 速 率 設(shè) 置 為 3 3 3 ． 3 k H z ， D M A方 式 ， 每 次 采 集 1 0 2 4點(diǎn) 。軟 件采 用 了 虛 擬 儀

23、器 的 設(shè) 計(jì) 思 想 利 用 H P ． V E E ”和 M a t ·l a b 6 ． 11?軟 件聯(lián) 合 編 程 技 術(shù) 。其 中 可 視 化 編 程語 言 HP -V E E編 寫 了監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng) 的數(shù) 據(jù) 采 集 、 存 儲(chǔ) 及 診 斷 結(jié) 果 顯 示 等 程 序 ； 利 用 M a t l a h 6 ． 1的 強(qiáng) 大 數(shù) 學(xué) 功 能 及 其 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 工 具 箱 ， 編制 了相應(yīng) 的 數(shù)據(jù) 處理 、 特

24、征 值 提取 和 自組 織映 射 神經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 的 程 序 。GFG- 81 3F u n c t o nY E5 8 5 3Ch a r g eDAS 1 8 0 0G e n e r a t o rAm p i f i e rBo a rd圖 3 監(jiān) 測(cè) 系統(tǒng) 的 硬 件 組 成 不 意 圖 F i g． 3Co n f i g u r a t io no ft h eAc t i v eDa ma g eMo n it o r i

25、 n gS y s t e m f o rCo mp o s i t e s實(shí) 驗(yàn) 中試 件 選 用 T _3 0 o碳 纖 維 層 合 板 ， 其 鋪 層 方 向 [ 0 ／ 9 0 ／ +4 5 ／ 一4 5 ]， 其 幾 何 尺 寸 為 9 0 m m×4 0 m m×2 m m。蜂 窩芯采 用芳 綸 紙 質(zhì)蜂 窩 ， 上 下 夾 層 面板 采 用 玻 璃 纖 維 復(fù) 合 材料 ， 共 4層 纖 維 布 鋪

26、成 。蜂 窩 復(fù) 合 材 料 的 幾 何 尺 寸 為 1 2 0 r a i n ×4 0 0 r am × 5 mm ?，F(xiàn) 場(chǎng)制 作 了五 種健 康 模 式 的 復(fù) 合 材 料 試 件 ： 碳 纖 維 層 合板 健 康 ( F 1 ) ， 碳纖 維層 合 板 的表 面 沖擊 損 傷() ， 碳 纖 維 層合 板 的脫 層損 傷 ( F 3 ) ， 蜂 窩夾 芯 復(fù) 合 材 料 健 康 ( F 4 ) 和 蜂 窩夾

27、層 結(jié)構(gòu) 的 面板 沖擊 損 傷 ( F 5 ) 。對(duì) 于 沖 擊 損 傷 的 材料 ，其 遭受 的 沖擊 能量 和標(biāo) 準(zhǔn) 樣本 試 件相 同 。利用上 文提到的監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)采 集 了這 5種健 康狀況 不 同的 試件監(jiān)測(cè) 波形。提取 了 5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試件 的特 征參 量 ， 得到表 3 。表 3 待 識(shí) 別 的 損 傷 樣 本 Ta b l e3O n - s i t eD a m a g eDa t a 現(xiàn) 在將 表 3中的 待診 斷