白生寶，肖迎春，黃博，田媛

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065）

引言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由于具有比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)以及結(jié)構(gòu)重量和制造方面的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天等國(guó)防領(lǐng)域，成為結(jié)構(gòu)減重、提高裝備運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性的重要策略之一[1,2]，已成為現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)材料重要的發(fā)展方向和應(yīng)用趨勢(shì)。隨著國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，逐漸向主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用，復(fù)合材料在新的軍民用飛機(jī)各類型號(hào)中的用來(lái)不斷提高。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是按照損傷容限思想來(lái)設(shè)計(jì)的，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)地面積木式試驗(yàn)驗(yàn)證是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)航空應(yīng)用和保證其結(jié)構(gòu)完整性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，試驗(yàn)中損傷的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和快速檢出是損傷容限試驗(yàn)的重要目的之一[3,4]，是制定飛機(jī)外場(chǎng)維護(hù)大綱的重要依據(jù)。目前，試驗(yàn)中按照試驗(yàn)大綱采用常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)施檢測(cè)[5-10]，傳統(tǒng)方法極其耗費(fèi)勞動(dòng)量和時(shí)間，是影響試驗(yàn)周期和效率的一個(gè)重要因素之一。同時(shí)，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)型復(fù)雜、損傷模式復(fù)雜多樣、損傷隱蔽性強(qiáng)且分散性大，大多損傷目視不可見，試驗(yàn)中對(duì)損傷的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位和監(jiān)控成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用所面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要發(fā)展針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷在線監(jiān)測(cè)與快速診斷技術(shù)。

隨著材料、傳感器、信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測(cè)和識(shí)別需求，研究人員開展了大量研究與實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了多種監(jiān)測(cè)技術(shù)，其中基于壓電傳感器的超聲導(dǎo)波技術(shù)被認(rèn)為最有潛力的監(jiān)測(cè)技術(shù)之一[11-15]，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的技術(shù)熱點(diǎn)[16-19]。

本文基于超聲導(dǎo)波和典型相關(guān)分析，提出了一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速診斷方法。該方法將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完好狀況的基線信號(hào)和損傷信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)定義為損傷指數(shù)，以此來(lái)表征復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)（損傷、完好等）。選取典型復(fù)合材料T型結(jié)構(gòu)開展了監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，確定了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型損傷的診斷閾值。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)

基于壓電傳感器的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)壓電傳感器對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)激勵(lì)，在結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出彈性波，同時(shí)使用多個(gè)壓電傳感器感知結(jié)構(gòu)中不同位置處的彈性波傳遞信號(hào)，結(jié)合信號(hào)處理和辨識(shí)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的完好狀態(tài)進(jìn)行辨識(shí)和診斷。

目前在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要以層合板結(jié)構(gòu)為主，超聲導(dǎo)波在這類結(jié)構(gòu)中激發(fā)出彈性波的通常稱為L(zhǎng)amb波。相對(duì)其他損傷監(jiān)測(cè)方法，基于超聲導(dǎo)波的損傷監(jiān)測(cè)方法具有對(duì)結(jié)構(gòu)損傷萌生敏感、適用于無(wú)損檢測(cè)不可達(dá)/不可檢結(jié)構(gòu)區(qū)域的損監(jiān)測(cè)、布置傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)大面積的區(qū)域監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

在實(shí)施超聲導(dǎo)波損傷識(shí)別與診斷過(guò)程中，由于損傷往往會(huì)改變超聲導(dǎo)波的傳播強(qiáng)度和方向，從而引起監(jiān)測(cè)傳感器的信號(hào)。結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)的壓電傳感器信號(hào)變化程度與其監(jiān)測(cè)路徑上損傷的嚴(yán)重程度密切相關(guān)。因此，建立適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)路徑傳感器信號(hào)變化損傷指數(shù)，就可以表征結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。本文以典型相關(guān)分析理論為基礎(chǔ)，以導(dǎo)波監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)路徑信號(hào)為損傷指數(shù)，用以表征監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)區(qū)域的損傷情況?；谙嚓P(guān)系數(shù)的損傷指數(shù)（DI）如下所示:

式中：

Corr—超聲導(dǎo)波在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)下的基線信號(hào)與結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)導(dǎo)波信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)。

時(shí)下，簡(jiǎn)政并節(jié)制政府支出，無(wú)疑乃當(dāng)務(wù)之急。發(fā)達(dá)國(guó)家的行政支出可能占財(cái)政支出的10%左右，中國(guó)大約在20%以上。這么高的行政支出是不是必要？是不是用得都合理？其實(shí)有很多不合理的地方。比如說(shuō)，我們政府機(jī)構(gòu)很臃腫，機(jī)構(gòu)很多，好幾套班子，領(lǐng)導(dǎo)干部一個(gè)正職，七八個(gè)、十來(lái)個(gè)副職，人浮于事。多年來(lái)未能解決，常常是精簡(jiǎn)了又膨脹，“廟多神多，香火錢多”，諸多政府支出不盡合理，壓縮空間很大。

定義同一條壓電傳感器監(jiān)測(cè)路徑上結(jié)構(gòu)完好裝好狀態(tài)下的信號(hào)B={B1，B2，…，Bi}為基線信號(hào)，發(fā)生損傷時(shí)的信號(hào)D={D1，D2，…，Di}為損傷信號(hào)， i為采集點(diǎn)序號(hào)。那么，相關(guān)系數(shù)Corr為可表示為:

損傷指數(shù)（DI）可以反映壓電傳感器監(jiān)測(cè)路徑上及監(jiān)測(cè)區(qū)域附近的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)（完好、損傷萌生、損傷擴(kuò)展）。DI值可以表征監(jiān)測(cè)路徑或監(jiān)測(cè)區(qū)域附近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷/損傷擴(kuò)展等程度。每4個(gè)壓電傳感器組成一個(gè)最小監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，共6條監(jiān)測(cè)路徑。當(dāng)2個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)路徑上的信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，認(rèn)為該監(jiān)測(cè)路上的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷；當(dāng)最小監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的6各監(jiān)測(cè)路徑信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，認(rèn)為該最小監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域出現(xiàn)損傷。與傳統(tǒng)的基于超聲導(dǎo)波的損傷成像、特征診斷等方法相比，在對(duì)大型裝備結(jié)構(gòu)實(shí)施超聲導(dǎo)波損傷監(jiān)測(cè)時(shí)，本文建立的損傷指數(shù)（DI）監(jiān)測(cè)方法操作性更強(qiáng)、工程應(yīng)用結(jié)果診斷更迅速。

因此，本文針對(duì)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷快速監(jiān)測(cè)與診斷需求，以壓電傳感器監(jiān)測(cè)路徑異常數(shù)量作為判斷結(jié)構(gòu)損傷狀況指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的及時(shí)監(jiān)測(cè)和快速診斷。

2 損傷診斷方法

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷狀況指標(biāo)的大小可以作為結(jié)構(gòu)損傷大小和擴(kuò)展程度的量化指標(biāo)，其變化趨勢(shì)可以反映結(jié)構(gòu)損傷擴(kuò)展的速度。實(shí)施基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷狀況指標(biāo)的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)與診斷方法主要有以下幾個(gè)步驟[20]：

1）針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)象，通過(guò)典型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)件的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，確定損傷指數(shù)閾值；

2）對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過(guò)力學(xué)分析和有限元仿真，優(yōu)化布置壓電傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（傳感器數(shù)量最優(yōu)、傳感器位置最優(yōu)等）；

4）實(shí)施基于超聲導(dǎo)波的損傷監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集信號(hào)，并計(jì)算損傷指數(shù)；

5）與實(shí)驗(yàn)確定的損傷閾值基線對(duì)比，確定結(jié)構(gòu)損傷狀況指標(biāo)；

6）根據(jù)損傷狀況指標(biāo)值，判定監(jiān)測(cè)區(qū)域損傷狀態(tài)，包括損傷萌生和擴(kuò)展。

該方法實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算迅速，可以應(yīng)用于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的早期識(shí)別和擴(kuò)展監(jiān)測(cè)，其結(jié)果可作為指導(dǎo)開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷精準(zhǔn)無(wú)損檢測(cè)的依據(jù)。

3 典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷閾值實(shí)驗(yàn)

為了確定航空典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)閾值，選取典型復(fù)合材料T型加筋結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。實(shí)驗(yàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)件分級(jí)施加載荷，逐級(jí)施加到設(shè)計(jì)載荷，然后逐級(jí)卸載到零。在每級(jí)載荷平穩(wěn)后采集超聲導(dǎo)波信號(hào)，并計(jì)算損傷指數(shù)，在卸載后對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)件為復(fù)合材料T型加筋板結(jié)構(gòu)件，該實(shí)驗(yàn)件加工工藝材料為T700/QY8911。實(shí)驗(yàn)件由3個(gè)子層組成，其中，子層1鋪層形式為[-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/ -45/0/45]：子層2鋪層形式為[45/0-/45/90/45/0/90/0/-45/90/45/0/-45]：子層3鋪層形式為[45/0-/45/90/0/45/0/ -45/0/45/90/-45]s。復(fù)合材料T型加筋板結(jié)構(gòu)件及壓電監(jiān)測(cè)傳感器布置情況如圖1所示。

在圖1中，①、②、③、④表示壓電傳感器編號(hào)，壓電傳感器附近的坐標(biāo)表示監(jiān)測(cè)位置，虛線表示信號(hào)路徑。復(fù)合材料T型加筋板結(jié)構(gòu)件尺寸為120×200× 50 mm。結(jié)合復(fù)合材料T加筋結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)，該典型件結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)和三角填充區(qū)的界面之間容易產(chǎn)生脫粘損傷。因此本實(shí)驗(yàn)主要監(jiān)測(cè)過(guò)渡區(qū)、三角填充區(qū)及突緣與面板的粘接區(qū)。

圖1 復(fù)合材料T型加筋實(shí)驗(yàn)件示意圖

具體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)件通過(guò)專用夾具安裝在力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)機(jī)上。實(shí)驗(yàn)中采用美國(guó)Acellent公司的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，壓電傳感器為PZT-5A型，直徑8 mm，厚度0.45 mm。實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)機(jī)載荷施加速率參數(shù)設(shè)置為2 mm/min，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最大載荷為5 kN，實(shí)驗(yàn)過(guò)程載荷施加分別5級(jí)進(jìn)行，步長(zhǎng)為1 kN。超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)激勵(lì)頻率設(shè)置為225 kHz，采樣率設(shè)置為10 MHz，每級(jí)載荷到達(dá)后采集超聲導(dǎo)波信號(hào)。

圖2 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)載荷施加到3.3 kN時(shí)，實(shí)驗(yàn)件首次發(fā)出聲響，采集該信號(hào)并繼續(xù)施加載荷到5 kN，然后逐級(jí)進(jìn)行卸載。卸載后對(duì)復(fù)合材料 T 型加筋實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行了詳細(xì)無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

從圖3無(wú)損檢測(cè)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)件監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生脫粘損傷。

圖3 T型加筋板底板無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

對(duì)實(shí)驗(yàn)中采集的超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算了損傷指數(shù)，損傷指數(shù)變化情況如圖4所示。

在圖4中，黑色虛線表示②、③壓電傳感器監(jiān)測(cè)路徑的損傷指數(shù)變化情況，藍(lán)色實(shí)線表示①、④壓電傳感器監(jiān)測(cè)路徑的損傷指數(shù)變化情況。從圖4可以看出，在0～3 kN載荷施加過(guò)程中，兩條路徑的損傷指數(shù)（DI）值較小，且相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)尚未產(chǎn)生損傷；當(dāng)實(shí)驗(yàn)載荷超過(guò)3 kN以后，DI值快速增大，在實(shí)驗(yàn)載荷達(dá)到4 kN室，結(jié)構(gòu)測(cè)區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)損傷，并隨著載荷不斷增大，損傷不斷擴(kuò)展。當(dāng)實(shí)驗(yàn)件首次發(fā)出聲響時(shí)的載荷為3.3 kN，對(duì)應(yīng)DI值為0.34。因此，確定0.34為該復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)閾值。

圖4 損傷指數(shù)（DI）值實(shí)驗(yàn)變化情況

對(duì)比損傷診斷結(jié)果與無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，表明該方法診斷結(jié)果與無(wú)損結(jié)果一致，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)航空復(fù)合材料開展了基于超聲導(dǎo)波的損傷監(jiān)測(cè)方法研究，建立了一種基于超聲導(dǎo)波和典型相關(guān)分析的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了T型加筋板結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)。

本文提出的方法簡(jiǎn)單，計(jì)算過(guò)程迅速，采用該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)合材料損傷的快速監(jiān)測(cè)與診斷，具有很強(qiáng)的工程適用性。