A Multimodal Gated Recurrent Unit Neural Network Model for Damage Assessment in CFRP Composites Based on Lamb Waves and Minimal Sensing

材料科学 复合材料 人工神经网络 兰姆波 结构健康监测 结构工程 声学 计算机科学 人工智能 工程类 表面波 物理 电信
作者
Long Zhuang,Kai Luo,Zhibo Yang
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73: 1-11 被引量:35
标识
DOI:10.1109/tim.2023.3348884
摘要

Carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites are widely used in aerospace due to their outstanding mechanical properties. However, composite damage detection and localization techniques based on minimal actuator–receiver sensing pairs are still challenging. Based on Lamb wave (LW), current damage detection and localization methods rely on numerous sensors and baseline signals to extract damage information. This study introduces a novel approach for damage detection and localization in CFRP composites using a multimodal gated recurrent unit neural network (MGNN) model. The local maximum energy of the LW is obtained through the continuous wavelet transform (CWT) using complex Morlet wavelets. MGNN combines the time-domain LW-based and CWT-energy signals as an input, dramatically improving the anti-interference and damage feature extraction accuracy. In the MGNN framework, multiple feature mappings are aggregated to establish correlations between damage coordinates and features. This enables damage assessment of composite panels even with a limited dataset, utilizing a minimal sensing actuator–receiver pair configuration. Numerous experiments demonstrate the superior performance of the proposed method compared to other current models. Additionally, anti-interference and ablation experiments substantiate the effectiveness and more robust anti-interference capability of the proposed method. These findings reduce the complexity of sensing networks and detection costs for LW-based methods, thereby significantly improving the accuracy and reliability of composite damage detection.
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