CN103439263A

CN103439263A - 一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法及系统

Info

Publication number: CN103439263A
Application number: CN2013103408817A
Authority: CN
Inventors: 王帮峰; 张勇; 芦吉云; 吴佳俊; 顾莉莉
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅（FBG)非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法和监测系统，该方法在对波纹型复合材料机翼蒙皮有限元分析的基础上，对蒙皮铺层失效次序做出预测并提取对应临界失效载荷和铺层破坏处的应变场分布，通过FBG反射谱重构原理得到各临界失效载荷对应的FBG反射谱.构建监测系统，监测记录蒙皮各铺层失效时光谱，与预测光谱趋势相同，误差不超过8.6%。本发明还公开了一种应用所述监测技术的监测系统。由此，通过监测FBG非均匀反射谱特征变化即可实时监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤。

Description

一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法及系统

技术领域

本发明公开了一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法及系统，具体为一种基于FBG非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测技术，涉及工业生产、生物、航空航天等领域。

背景技术

波纹型复合材料蒙皮以其良好的弦向柔性、较大的展向刚度、优秀的变形累积效应等优点，成为未来变体机翼发展的突破点。蒙皮长期作动时，在交变应力，化学腐蚀，机械震动等情况下，铺层之间会出现脱粘破坏，波峰处会出现压缩破坏。因此波纹型复合材料蒙皮的结构健康监测与蒙皮损伤预测对于变体机翼的发展与应用显的尤为重要。

自从将光纤光栅作为传感元件以来，由于光纤光栅所具有的独特优点，它在航空结构健康监测方面逐渐得到广泛的应用，光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以埋入结构内部对结构进行实时测量、监视结构缺陷的形成和发展。1990年FBG传感器首次被埋入环氧树脂复合材料中以来，FBG传感器受到了世界范围内的广泛重视，各国学者积极开展有关研究。2002年，Daniel Betz等人把FBG温度和应变传感器安装在A340-600客机的机身，实现对该型客机结构的载荷标定。2003年，Jung-Ryul Lee等人利用FBG传感器实时监测风洞试验中机翼的动态应变。2004年，日本的Toshimiehi Ogisu等人提出了一种利用新的定量评估CFRP层合板内脱层尺寸的损伤检测系统——压电陶瓷(PZT)驱动器／FBG传感器的混合型脱层损伤监测系统，实现了对新一代航天器先进复合材料结构的损伤监测。

但如上所述，这些研究成果主要是利用FBG反射谱中心波长的漂移来进行损伤识别的。然而，对于有些结构的部分区域，比如金属修补结构的修补区域以及复合材料胶接接头结构的接头内部区域和新型复合材料机翼蒙皮等等，在服役过程中所受的应变是非均匀的，若再通过FBG反射谱中心波长的漂移进行损伤识别势必会产生误差，甚至发生错误。Erdogan对应变作用下FBG传感器的反射光谱响应做了理论分析，Kara Peters通过实验测定了非均匀应变作用下FBG传感器的反射光谱响应。此后，Takeda利用小直径FBG传感器的光谱特性对复合材料修复层的脱粘损伤进行了监测，为将FBG传感器的光谱特性应用于结构健康监测提供了理论依据和先例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于FBG非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测技术，能够高快速准确实时监测波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，具体步骤如下：

步骤一、建立并求解波纹型复合材料机翼蒙皮试件的几何模型，确定光纤布拉格光栅粘贴位置；

步骤二、采用逐步失效分析的方法得出波纹型复合材料机翼蒙皮各铺层的失效次序以及各铺层失效时所对应的临界失效载荷；

步骤三、采用反射谱重构方法得出各铺层失效时所对应重构的FBG反射谱；

根据重构的FBG反射谱，得出各铺层在临界失效光谱出现分裂时所对应的载荷，以上述载荷作为拉伸波纹型复合材料机翼蒙皮试件中光谱仪开始扫描与记录的起点；

步骤四、对同批次同样式的波纹型复合材料机翼蒙皮试件进行拉伸实验，通过观察光谱仪记录的光谱特征变化和光谱分裂数对蒙皮渐进损伤进行监测；

其中，所述光谱特征变化包括FBG反射谱中心波长的漂移、谱宽的变宽、初始波峰左侧出现初始分裂；所述光谱分裂数随着蒙皮失效程度的加剧而增加。

本发明还公开了采用所述波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测技术的一种监测系统，包括电子万能材料试验机、宽带光源、光纤耦合器、FBG传感器、光谱仪、上位PC机，其中：

电子万能材料试验机用以夹持被测试件；被测试件上设置有FBG传感器；宽带光源产生入射光并将其传输至光纤耦合器；光纤耦合器将接受到的入射光传输至FBG传感器；入射光经FBG传感器后以反射光的形式通过光纤耦合器传输至光谱仪；光谱仪记录拉伸过程实时光谱，并将产生的光谱信号上传至上位PC机。

作为本发明的进一步优选方案，所述FBG传感器设置于被测试件拉伸端的第二个波峰处。

作为本发明的进一步优选方案，所述电子万能材料试验机为Instron5566电子万能材料试验机，加载速度设定为0.5mm/min。

作为本发明的进一步优选方案，所述宽带光源为Agilent83437A型宽带光源。

作为本发明的进一步优选方案，所述光谱仪为AQ6317C光谱分析仪。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明公开的基于FBG非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，通过建立蒙皮各铺层失效载荷与沿光栅轴向各位置非均匀应变场变化的关系，进而构建蒙皮铺层失效载荷与FBG反射谱特征与变化的关系，能将蒙皮铺层失效的情况准确反映与FBG非均匀反射谱特征变化上；而同种批次和样式的试件只需做一次的损伤预测即可进行整批次的损伤监测，方便、有效率。

同时，根据该方法构建的监测系统结构简单、设备成本低廉、可反复使用，适合大规模的推广应用。

附图说明

图1为蒙皮试件拉伸示意图。

图2为蒙皮受力示意图。

图3（a）至图3（d）为预测的蒙皮临界失效载荷对应光谱。

图4为实验系统示意图。

图5（a）至图5（d）为实验监测的蒙皮临界失效载荷对应光谱。

具体实施方式

本发明所公开的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监方法，包括蒙皮有限元分析、铺层失效预测与反射谱重构，实验监测，在获取并验证预测失效光谱准确性后，同批次同样式的蒙皮试件只需观察光谱仪记录的光谱特征变化和光谱分裂数即可监测蒙皮渐进损伤。

本发明的核心关键在于波纹型复合材料蒙皮渐进损伤监测方法中的光谱特征变化，即FBG非均匀反射谱的中心波长、谱宽，光谱形状的变化，具体的来说是中心波长的漂移，谱宽变宽，初始波峰左侧出现初始分裂，光谱分裂数随着蒙皮失效程度的加剧而增加，且各铺层临界失效载荷对应的非均匀反射谱与预测结果最大误差为8.6%。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一、蒙皮建模与分析

复合材料波纹型蒙皮样件的蒙皮增强体采用E型45°/-45°与0/90°平纹无碱无蜡玻璃纤维布按比例铺叠而成，波纹形状为类抛物线形，基体固化剂为WSR6101环氧树脂，低分子-650-聚酰胺树脂，溶液稀释剂为环氧丙烷丁基醚。蒙皮样件采用手糊制件、模压定型及真空干燥箱固化成型的工艺。材料制备参数见表1，其中E₁₁、E₂₂分别为材料主轴1与2方向上的弹性模量，v₁₂为材料泊松比。

表1纤维增强复合材料制备参数表

蒙皮试件拉伸示意图如图1所示，其具体尺寸参数见表2：

表2蒙皮样件尺寸

试件铺层方式按0/90°:45°/-45°＝1:5的比例进行铺层。其中左端标注有L₁₂区域为固支端，右端标注有L₁₂区域内施加一个X正向拉伸力，L₁为拉伸试件的总长；L₁₁为测试段的长度；L₁₂为样件夹持段的长度；n₁为铺层的交织的玻璃纤维层数；n'为基体波纹数；t为样件厚度；b₁为样件宽度。

图2为蒙皮受力示意图，由图可见，在拉伸时蒙皮的波峰与波谷分别承受压力和拉力。建立拉伸试件的几何模型，使用四边形壳单元（QUAD4）对其进行网格划分，其精度高于三角形单元，适合较规则的曲面。使用MSC/Nastran中的线性求解器（SOL101）对模型进行求解，求解结果表明，波纹蒙皮的应力分布集中于波峰和波谷处，且拉伸时最大压应力出现在靠近夹持端的第二波峰处，由此确定光纤布拉格光栅粘贴位置，如图1中所示。

进一步研究复合材料波纹型复合材料机翼蒙皮头在拉伸载荷作用下的失效情况：首先确定其初始失效层及其对应的临界失效载荷，然后对其刚度进行修正，继续增加载荷，直到发生第二层失效。反复进行上述过程，由此可以得出复合材料波纹型机翼蒙皮铺层所有层的失效次序。采用这种逐步失效分析的方法得出复合材料机翼蒙皮铺层所有层的失效次序及各铺层失效时所对应的临界失效载荷，其计算过程如下：

（1）建立复合材料波纹型机翼蒙皮结构的有限元分析模型，对模型施加初始载荷，通过有限元软件分析结构中每个单层板的节点应力；

（2）把节点应力分别代入Tsai-Wu应力准则方程，计算每个单层板的破坏指标。取最大值所在的层为失效层，然后进一步由最大应力准则求出该层不发生失效的最大载荷值，即所对应的临界失效载荷；

（3）根据所选用的刚度修正方法求得某个单层板失效后结构新的刚度；

（4）重复步骤（1）和（2），直到全部层失效为止。

分析结果如表3所示：复合材料波纹蒙皮试件0°铺层首先破坏，失效载荷为70.64N；接着是45°铺层失效，失效载荷为74.21N；最后是-45°铺层失效，失效载荷为79.58N，继而导致最终失效。

表3仿真预测的失效次序与对应的失效载荷

二、铺层临界失效光谱重构

本发明所采用的反射谱重构方法本文综合考虑龙格-库塔重构法与传输矩阵重构法，在传输矩阵算法的基础上，将传输矩阵算法中为追求收敛速度而忽略的应变场变化梯度引入算法中，改进后的算法既继承了龙格-库塔算法的准确性，又保留了传输矩阵算法收敛速度快的特点。

根据上述有限元分析结果，沿布拉格光栅轴向定义路径，提取出该路径上的应变分布，即FBG轴向各位置应变场分布，获得蒙皮不同损伤阶段所对应的光栅位置z与应变με的关系，利用优化后的反射谱重构原理得出各铺层失效时所对应的FBG反射谱，光谱重构时用到的主要参数有：FBG初始中心波长为1555nm、光栅长度为10mm、有效折射率n_eff为1.45、折射率调制

为0.0002、泊松比v为0.17、光纤光弹指数p₁₁为0.121、p₁₂为0.27。图3(a)为初始状态，图3(b)、图3(c)、图3(d)分别为0°、45°、-45°铺层预测失效时的临界失效载荷对应光谱。

三、实验监测

实验监测系统如图4所示，包括宽带光源、光谱仪、光纤耦合器、电子万能材料试验机、蒙皮试件、上位PC机，其中：所述宽带光源产生入射光，通过光纤传输至光纤耦合器；所述光纤耦合器将接受到的入射光传输至粘贴于试件上的FBG传感器；所述的FBG传感器粘贴于试件靠近拉伸的第二个波峰处，所述入射光经FBG传感器后以反射光的形式通过光纤耦合器和光纤传输至光谱仪；所述的光谱仪记录拉伸过程实时光谱，观察光谱中心波长漂移量、光谱宽度变化量、光谱分裂数等光谱特征，即可实时监测波纹型复合材料机翼蒙皮在拉伸状态下的渐进损伤。

采用Instron5566电子万能材料试验机进行加载，加载速度设定为0.5mm/min，实验中用到的仪器主要还有有Agilent83437A型宽带光源（美国Agilent)；AQ6317C光谱分析仪（日本横河）。

以试件表面变化与FBG反射谱发生变化为标志，记录对应的载荷大小和FBG传感器反射谱，实验中所记录的各铺层失效载荷如表4所示。与表3相比较复合材料蒙皮试件铺层失效次序与对应的临界失效载荷大小与理论预测结果基本吻合，最大误差值为8.6%，满足结构健康监测的工程应用需求。

表4实验记录的失效次序与对应的失效载荷

图5(a)为初始状态，图5(b)、图5(c)、图5(d)分别给出试件0°、45°、-45°铺层各自临界失效载荷下对应的FBG反射谱的实验记录结果与理论重构结果。由图可见：在结构失效的过程中，FBG反射谱中心波长、谱宽会发生变化且光谱出现明显地分裂，光谱分裂数随着失效程度的增加而增加。对比理论重构结果可知实验测得的FBG反射谱与理论重构的趋势是一致的。因此，可以通过FBG非均匀反射谱的变化来判断复合材料波纹型蒙皮铺层各层的失效次序及其对应的失效载荷。

Claims

1.一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.采用如权利要求1所述一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法的监测系统，其特征在于：包括电子万能材料试验机、宽带光源、光纤耦合器、FBG传感器、光谱仪、上位PC机，其中：

电子万能材料试验机用以夹持被测试件； FBG传感器设置在被测试件上；所述宽带光源产生入射光并将其传输至光纤耦合器；光纤耦合器将接受到的入射光传输至FBG传感器；入射光经FBG传感器后以反射光的形式通过光纤耦合器传输至光谱仪；光谱仪记录拉伸过程实时光谱，并将产生的光谱信号上传至上位PC机。

3.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于：所述FBG传感器设置于被测试件拉伸端的第二个波峰处。

4.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于：所述电子万能材料试验机为Instron 5566电子万能材料试验机，加载速度设定为0.5mm/min。

5.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于：所述宽带光源为Agilent 83437A型宽带光源。

6.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于：所述光谱仪为AQ6317C光谱分析仪。