王基月 李宁 贺跃进
摘 要 专家系统是人工智能的重要应用领域,智能诊断是专家系统的一个类型。复合材料层合板出现故障时,材料内部能量的变化对外表现为明显的动态特性的变化,由此推断系统的故障所在,得到诊断策略,形成知识规则,建立知识库,构建智能诊断系统,实现复合材料故障的智能化诊断。
关键词 智能诊断 动态特性 诊断策略 知识库
中图分类号:TB33文献标识码: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
复合材料具有比强度高、比刚度大、可设计性强及良好的抗疲劳损伤和耐腐蚀性能的优点,已在航空航天、机械电子、生物医学、建筑、土木工程、交通运输等各个领域发挥重要作用,随着科学研究技术的进一步发展,各领域的使用比例逐年增大。①
在工程结构领域中,压电智能材料与弹性材料分层铺设,复合成一种新的智能材料,当外界条件改变时,智能材料被驱动, 智能材料就可以带动整个结构发生形变。②③
复合材料虽然性能优越,但其制造工艺和材料本身的性能特点,使得复合材料及其构件在制造过程产生缺陷,在使用过程中受到损伤, 本身的缺陷和外环境的加剧导致裂纹扩展,致使复合材料基体破坏或层间开裂(如图1所示),从而影响复合材料的机械性能,降低使用寿命。智能材料具有复杂的微结构和多种增强相混杂、多物理场的耦合,多场耦合往往表现出组分材料所没有的附加特性,但是某些具有耦合性能的材料的力学性能表现出脆性、易断裂等缺陷。④⑤复合材料大多用于外环境比较恶劣的场合,而这些缺陷和损伤难免在使用过程中累积,一旦出现事故,将造成巨大的经济损失。因此研究适合复合材料本身特性的智能化诊断策略势在必行。
鉴于复合材料种类的多样化,设计结构及制造中的缺陷和工作过程中损伤的产生、累积,现有检测方法的局限性及检测者水平的高低等因素的影响,都给安全、经济、有效的使用复合材料带来了很大的障碍,而智能化诊断的专家系统综合处理了多个专家的经验,为缺少实际经验者提供所需经验并实现决策过程的自动化及友好的人-机界面,这样智能化的诊断系统在研究和应用中显得更为迫切和重要。
为实现复合材料层合板典型损伤的智能诊断,必须把从试验中得到的诊断策略写成知识规则的形式,构成诊断知识库,在此基础上构建诊断专家系统,可以实现计算机智能诊断。
1 智能诊断系统
专家系统(Expert System)作为人工智能(AI)的一个重要分支,它是一种能像某一领域专家那样向用户提供解决问题方法的计算机应用系统。⑥⑦专家系统的一个显著优点⑧是能够为最终的结论提供整个推理过程的解释,用户就可以了解、分析、判断系统推理的正确性。专家系统有很多优点:充分发挥专家经验的优势、有效处理组合问题、减少故障频率、提高可靠性并加快响应时间等等。专家系统技术在日本工业界得到了广泛的应用,像质量诊断、混凝土开裂诊断、材料设计等。⑨诊断是专家系统的一个类型,是根据观测数据,推断系统的故障所在。通过对检测数据的分析和处理,得到诊断策略,构成知识库(如图2所示)。
根据本课题已经研究的初步成果:复合材料层合板裂纹诊断的实验研究,⑩可以建立复合材料层合板典型损伤的知识库。
2 诊断策略
根据前述研究成果的频域分析和小波分析(如图3所示)得到的结论,总结得到复合材料层合板裂纹损伤的诊断策略。首先排除生产过程中缺陷的影响,即认为材料是处于完全的健康状态。此后由于外部工况环境的影响,材料的内部结构会发生变化,形成一些初始的损伤。
基于复合材料的动态特性十分敏感,结合实验研究从动态特性入手,给出以下诊断规则:(1)幅值,当基频上升且系统的振幅有规律下降时,初步认为结构内部产生了微裂纹。(2)相位,当相位有负方向的移动,出现新的高频分量,幅频曲线出现毛刺,断定已经产生裂纹。(3)对测试信号进行频域分析和小波分析,以此确定裂纹损伤的置信度。
在微裂纹产生的基础上裂纹将逐步扩展,此时材料的应变硬化作用消失,材料的刚度损失增强。因此,复合材料的微裂纹扩展到一定程度后,系统的幅值逐渐增大,基频向低方向移动。当系统的幅频响应和相频响应均出现不稳定现象时,可以判定材料已经失效。
3 诊断知识库
以上诊断策略可以写成知识规则的形式,构成诊断知识库,在此基础上构建诊断专家系统,以实现智能诊断。
专家系统的关键是知识库,即知识库中知识规则的质量和数量决定着专家系统的质量水平。
知识库中的知识必须表示为规范形式。常用产生式规则表示法。其基本形式如下:IF<条件1><条件2>……THEN<结论1><结论2>……其中条件是已有的数据,由条件到结论的过程即是模拟人类专家的思维过程。
产生式规则具有与人类思想方式接近的特点,能有效、简洁地表达领域知识,是专家系统应用中最广泛的知识表达方式。
为实现复合材料层合板典型损伤的计算机智能诊断,采用Delphi语言,将上述诊断策略写成了IF…THEN…结构的产生式规则,为以后研制智能诊断专家系统打下了基础。
4 结语
实验研究中依据层合板内部能量的变化表现为明显的动态特性推断出复合材料层合板的裂纹损伤的所在,形成诊断策略,列写知识规则和建立知识库等,这些为复合材料在使用过程中在线诊断、故障分析与预测维护打下了坚实的基础。然而专家系统中知识获取的不确定性、专家经验的不一致性,特别是开发专家系统所需的费用和时间是两个重要的影响因素,因此有待于进一步的研究。
注释
① 沈军,谢怀勤.先进复合材料在航空航天领域的研发与应用[J].材料科学与工艺,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 杨庆生,刘健.智能复合材料的应用与力学研究进展[J].力学与实践,2008.30(6):15-16.
⑤ 闫国良,张元卿,刘兴宇.民用飞机复合材料结构维修大纲的制定[J].民用飞机设计与研究,2008(3):17-18.
⑥ E·丽奇.人工智能引论[M].广州:广东科技出版社,1986.
⑦ 朱福喜,汤怡群,傅建明.人工智能原理[M].武汉:武汉大学出版社,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 许力.智能控制与智能系统[M].北京:机械工业出版社,2007.
⑩ 贺跃进,张恒.复合材料层合板裂纹诊断的实验研究[J].2008(2):23-25.