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当小钢球对冲击区域进行冲击时,碳纤维复合材料层合板受到小钢球的冲击上下振动,产生冲击应力波,应力波在复合材料层合板中传递时具有一定的波速,其距离位置越近,应力波到达的速度就越快,FBG传感器响应的时间就越短,因此冲击应力波的传递和时间有关,各光纤光栅传感器分别用于获取冲击后反映其所在位置应变的时域信号特征数据。应力波的曲线变化类似于正弦波,以小钢球冲击A1区采集的FBG1传感信号为例,其应力波变化如图 6所示。
利用插值拟合的方式对小钢球引起的冲击振荡信号的起始周期进行离散傅里叶拟合法进行拟合,以A13区采集的FBG传感信号为例,其起始周期应变时域放大图和拟合图如图 7所示。依次记录各FBG传感器的时域峰值响应时刻,分别为T1, T2, T3, T4,由于拟合峰对应的响应时刻的随机性大,不可通过寻峰算法直接找出T1, T2, T3, T4的值作为冲击定位参量,本实验中利用拟合出的时间差ΔTi作为冲击定位识别参量,将其作为BP神经网络的输入信号,结合BP神经网络算法实现碳纤维复合材料的参数化定位。时间差ΔTi计算方式如下:
式中, Ti为FBGi的起始响应峰值所对应的时刻坐标;T0为碳纤维复合材料层合板冲击响应的起始响应时刻;ΔTi为各FBG传感器的冲击响应时间差。
利用小钢球对划定的16个区域的中心点依次进行冲击,将采集到的FBG传感器时域响应信号作为训练样本,通过MATLAB搭建的BP神经网络系统对复合材料层合板的冲击区域进行判定和预报。由实验过程可知,作为BP神经网络冲击定位监测系统的FBG响应传感器有4个,分别为FBG1, FBG2, FBG3和FBG4,所采集到的冲击定位识别参量分别为ΔT1, ΔT2, ΔT3和ΔT4,因此搭建的BP神经网络输入层神经元有4个,期望得到冲击点坐标,所以输出信号有2个,即冲击定位坐标(x, y)。小钢球对每个冲击位置重复冲击3次,16个冲击区域,共48个实验样本,选择单隐藏层,其隐藏节点为5个,设置附加动量因子Q=0.9,学习率η=0.0001。各FBG传感器所采集到的实验样本如表 1所示。
impact position frequency ΔT1/ms ΔT2/ms ΔT3/ms ΔT4/ms impact coordinates (x, y) training samples A1 1 0.333 0.451 0.646 0.469 (10, 10) 2 0.314 0.519 0.723 0.539 3 0.372 0.438 0.804 0.448 A2 1 0.332 0.381 0.823 0.413 (30, 10) 2 0.382 0.524 0.633 0.383 3 0.372 0.613 0.532 0.513 A3 1 0.382 0.632 0.544 0.254 (50, 10) 2 0.251 0.633 0.582 0.253 3 0.253 0.614 0.748 0.375 A4 1 0.532 0.754 0.628 0.381 (70, 10) 2 0.514 0.882 0.873 0.284 3 0.432 0.624 0.636 0.238 A5 1 0.251 0.632 0.521 0.132 (70, 30) 2 0.381 0.623 0.386 0.127 3 0.462 0.634 0.382 0.134 A6 1 0.251 0.532 0.373 0.249 (50, 30) 2 0.372 0.631 0.493 0.254 3 0.387 0.637 0.501 0.256 A7 1 0.248 0.513 0.632 0.382 (30, 30) 2 0.253 0.866 0.752 0.374 3 0.381 0.634 0.562 0.252 A8 1 0.248 0.372 0.634 0.521 (10, 30) 2 0.242 0.48 0.564 0.628 3 0.254 0.508 0.636 0.376 A9 1 0.501 0.487 0.139 0.386 (70, 50) 2 0.528 0.504 0.132 0.378 3 0.626 0.617 0.324 0.254 A10 1 0.486 0.582 0.376 0.259 (50, 50) 2 0.503 0.516 0.382 0.254 3 0.624 0.636 0.354 0.248 A11 1 0.382 0.406 0.743 0.736 (30, 50) 2 0.376 0.483 0.752 0.746 3 0.381 0.501 0.734 0.728 A12 1 0.251 0.384 0.388 0.632 (10, 50) 2 0.333 0.253 0.374 0.743 3 0.282 0.296 0.382 0.684 A13 1 0.752 0.256 0.128 0.372 (70, 70) 2 0.749 0.382 0.134 0.464 3 0.738 0.282 0.136 0.406 A14 1 0.632 0.501 0.383 0.463 (50, 70) 2 0.506 0.483 0.386 0.253 3 0.732 0.389 0.364 0.249 A15 1 0.532 0.124 0.258 0.753 (30, 70) 2 0.503 0.154 0.253 0.756 3 0.497 0.196 0.256 0.628 A16 1 0.253 0.236 0.258 0.384 (10, 70) 2 0.301 0.376 0.503 0.376 3 0.256 0.372 0.254 0.502 test samples A2 0.334 0.382 0.817 0.406 (30, 10) A5 0.286 0.618 0.482 0.148 (70, 30) A14 0.608 0.484 0.382 0.243 (50, 70) A15 0.502 0.148 0.254 0.686 (30, 70) 随机选中4个冲击区域对搭建的BP神经网络系统进行测试,分别为A2, A5, A14, A15,对每个样本测试区域冲击一次,记录实验数据。通过MATLAB搭建的BP神经网络对冲击定位区域的训练样本进行训练,将期望值和预测值的坐标点利用图形进行输出,结果如图 8所示。
从图 8可以看出,预测输出位置和期望输出位置均在同一个网格区域内,证明利用BP神经网络系统对基于FBG传感器的智能复合材料进行定位监测,能够准确预测小钢球的冲击位置,然后对期望位置和预测位置的横纵坐标的绝对误差进行求解,图形输出如图 9所示。
由图 9中的数据点可知,期望值和预测值的横纵坐标的同比例缩小误差范围在0mm~8mm之间,小于冲击识别区域(0,10),与待测复合材料层合板总长度比值小于0.1,完全可以精准地预测小钢球冲击点的位置,实现利用BP神经网络算法对复合材料层合板进行冲击定位识别。