CN109283071A - 一种cfrp低速冲击损伤样本低试验代价获取方法 - Google Patents

一种cfrp低速冲击损伤样本低试验代价获取方法 Download PDF

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姜明顺
于宏亮
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张强
蒋萍
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Abstract

本发明公开了本发明提供的一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，包括以下步骤：建立CFRP结构健康状态有限元模型；获取健康状态数值模拟信号；构建实验系统并获取健康状态实验数据；构建误差校正矩阵；构建CFRP结构低速冲击损伤状态有限元模型；获取低速冲击损伤状态数值模拟信号；利用误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正，从而获得CFRP结构低速冲击损伤状态样本。本发明通过误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正来获取CFRP结构的低速冲击损伤状态样本，解决了CFRP结构损伤样本低试验代价的获取问题。

Description

一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域,具体涉及一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法。
背景技术
碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)具有质量轻、强度高、可设计性强等优良特性，是航空航天等尖端科技领域一种不可或缺的战略性新材料。然而，由于碳纤维复合材料的非均质性、各向异性等特点，其对冲击特别敏感，即使是冲击速度10米/秒以下的低速冲击也会导致结构产生内部分层等表面目不可检损伤。应用碳纤维复合材料要突破的核心关键技术之一便是低速冲击健康监测技术。但是由于碳纤维复合材料的损伤演化规律和失效过程与金属材料有着本质的不同，研发与CFRP特性相适应的低速冲击健康监测技术对于保障复合材料结构服役安全，具有重要的科学意义和工程价值。
现有CFRP低速冲击损伤健康监测技术多通过对结构损伤状态信号进行分析建模实现。各种损伤状态信号的获取是实现上述技术的关键。然而，在航空航天等尖端科技领域，由于高可靠性结构设计和昂贵成本，破坏复合材料结构获取损伤样本代价极高且难以实现，这极大制约了以获取损伤样本为基础的CFRP低速冲击损伤健康监测技术的实际应用。有限元仿真可通过对复合材料结构损伤进行数值模拟，获取损伤数值模拟样本，但是由于非理想边界条件、有限元离散化、非线性结构特性等原因，有限元模型必然存在建模误差。
发明内容
鉴于航空航天等尖端科技领域破坏复合材料结构获取损伤样本代价高昂且难以实现，进而制约以获取损伤样本为基础的CFRP低速冲击损伤健康监测技术实际应用的问题，本发明的目的是提供一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，能够以低试验代价获取损伤样本，为建立一个可靠的损伤评估模型准确评估CFRP结构损伤、实现CFRP低速冲击损伤健康监测技术的广泛应用提供数据支撑。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，通过误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正来获取CFRP结构的低速冲击损伤状态样本。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述方法具体包括：
建立CFRP结构健康状态有限元模型；
获取健康状态数值模拟信号；
构建实验系统并获取健康状态实验数据；
构建误差校正矩阵；
构建CFRP结构低速冲击损伤状态有限元模型；
获取低速冲击损伤状态数值模拟信号；
利用误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正，从而获得CFRP结构低速冲击损伤状态样本。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述建立CFRP结构健康状态有限元模型的过程为：采用有限元分析方法进行建立CFRP结构健康状态有限元模型。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述获取健康状态数值模拟信号的过程为：对CFRP结构进行动力响应分析得到健康状态数值模拟信号，所述健康状态数值模拟信号的类型选择为结构的频率响应特性。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述实验系统为健康状态的CFRP结构、冲击力锤、光纤布拉格光栅传感器和光纤光栅动态解调仪构成的CFRP结构低速冲击损伤评估实验系统。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述获取健康状态实验数据过程为：
将光纤布拉格光栅传感器粘贴于健康状态的CFRP结构表面；
对健康状态的CFRP结构采用脉冲锤击激励方式进行无损激励；
光纤布拉格光栅传感器对CFRP结构进行应力变化监测；
光纤光栅动态解调仪对光纤布拉格光栅传感器的波长偏移进行调制得到CFRP结构的动态响应信号；
对CFRP结构的动态响应信号进行傅里叶变换得到健康状态的CFRP结构频率响应特性。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述构建误差校正矩阵的过程为：将健康状态实验数据与健康状态数值模拟信号数据作差得到。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述构建CFRP结构低速冲击损伤状态有限元模型的过程为：对CFRP结构健康状态有限元模型施加不同位置、不同能量等级的数值模拟低速冲击载荷，产生结构低速冲击损伤得到不同低速冲击损伤状态的有限元模型。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述获取低速冲击损伤状态数值模拟信号的过程为：对不同低速冲击损伤状态的有限元模型进行动力响应分析得到低速冲击损伤状态数值模拟信号。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述获得CFRP结构低速冲击损伤状态样本的过程为：将低速冲击损伤状态数值模拟信号输入到误差校正矩阵进行校正。
本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：
本发明实施例的技术方案采用实验测量的CFRP结构健康状态数据构建模型误差校正矩阵，对CFRP结构低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正，可有效降低非理想边界条件、有限元离散化、非线性结构特性等原因导致的有限元建模误差，提高有限元建模精度；
本发明实施例的技术方案仅仅需要CFRP结构低速冲击健康状态实验样本，损伤样本则通过有限元仿真方式得到，这有效解决了航空航天等尖端科技领域由于高可靠性结构设计和昂贵成本导致破坏结构获取损伤样本代价极高且难以实现的问题，实现了CFRP结构低速冲击损伤状态样本的低试验代价获取，解决了现有以获取损伤状态样本为基础的CFRP低速冲击损伤健康监测技术广泛应用的问题。
附图说明
图1是根据一示例性实施例示出的一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取的具体实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
考虑到结构健康样本却容易获取，将有限元仿真建模与试验获取的健康样本结合，建立可靠的损伤评估模型准确评估复合材料结构损伤，是实现CFRP低速冲击损伤健康监测技术广泛应用的一种极具发展潜力的方法。因此，本发明提供的一种基于有限元建模与实验校正结合的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，它通过误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正来获取CFRP结构的低速冲击损伤状态样本，以此来解决CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取的问题。
图1是根据一示例性实施例示出的一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法的流程图。如图1所述，本发明实施例提供的一种基于有限元建模与实验校正结合的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，所述方法具体包括：
建立CFRP结构健康状态有限元模型；
获取健康状态数值模拟信号；
构建实验系统并获取健康状态实验数据；
构建误差校正矩阵；
构建CFRP结构低速冲击损伤状态有限元模型；
获取低速冲击损伤状态数值模拟信号；
利用误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正，从而获得CFRP结构低速冲击损伤状态样本。
本实施例将有限元仿真建模与试验获取的健康样本结合低试验代价获取损伤样本，为建立一个可靠的损伤评估模型准确评估复合材料结构损伤、实现CFRP低速冲击损伤健康监测技术的广泛应用提供数据支撑。
图2是根据一示例性实施例示出的一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取的具体实施流程图。结合图1和图2所示，本实施例提供的一种基于有限元建模与实验校正结合的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法,具体包括如下步骤：
步骤1：建立CFRP结构健康状态有限元模型。
采用有限元分析软件建立CFRP结构健康状态有限元模型1。健康状态有限元模型1尽可能地反映真实的碳纤维增强聚合物基复合材料结构。其中，有限元分析软件可采用目前流行的ABAQUS、ANSYS等公司产品。采用的有限元软件产品不同，其建模流程略有差异，下面仅以ABAQUS公司产品为例，简述碳纤维增强聚合物基复合材料结构有限元模型的建模过程：
步骤(11)：建立碳纤维增强聚合物基复合材料结构的3D实体单元；
步骤(12)：建立碳纤维增强聚合物基复合材料结构的材料属性；
步骤(13)：建立碳纤维增强聚合物基复合材料结构的铺层情况；
步骤(14)：生成碳纤维增强聚合物基复合材料结构实体模型；
步骤(15)：生成边界条件；
步骤(16)：加载求解。
步骤2：获取健康状态数值模拟信号。
对健康状态有限元模型1进行脉冲锤击激励下的动力响应分析2得到有限元模型健康状态的数值模拟信号。其中，数值模拟信号类型选择为结构的频率响应特性。为了激励碳纤维复合材料结构获取结构的动态响应信号，脉冲锤击激励的冲击能量小于能够使CFRP结构产生损伤的能量阈值，不会导致CFRP结构产生损伤。
步骤3：构建实验系统并获取健康状态实验数据。
构建CFRP结构低速冲击损伤评估实验系统，所述CFRP结构低速冲击损伤评估实验系统由健康状态的CFRP结构、冲击力锤、传感器和光纤光栅动态解调仪组成。为减少传感器质量对结构频率响应特性的影响，传感器的质量要求尽可能的轻，为此传感器选为光纤布拉格光栅传感器。
获取健康状态实验数据，健康状态实验数据的获取步骤包括：
步骤(31)：将光纤布拉格光栅传感器粘贴于健康状态的CFRP结构表面。
步骤(32)：采用脉冲锤击激励方式，对健康状态的CFRP结构采用脉冲锤击激励方式进行无损激励。所述脉冲锤击激励方式为采用冲击力锤低速冲击CFRP结构的形式进行，为保证脉冲锤击激励不会对CFRP结构产生附加损伤，冲击力锤的冲击能量小于能够使CFRP结构产生损伤的能量阈值。
步骤(33)：光纤布拉格光栅传感器对CFRP结构进行应力变化监测。脉冲锤击激励会导致CFRP结构的应力发生变化，进而引起粘贴于健康状态的CFRP结构表面的光纤布拉格光栅传感器波长发生偏移。
步骤(34)光纤光栅动态解调仪对光纤布拉格光栅传感器的波长偏移进行调制得到CFRP结构的动态响应信号。波长偏移被光纤光栅动态解调仪调制，得到健康状态的CFRP结构的动态响应信号。其中，所述光纤光栅动态解调仪的解调频率大于1kHz。
步骤(35)：对CFRP结构的动态响应信号进行傅里叶变换得到健康状态的CFRP结构频率响应特性。对获取的健康状态的CFRP结构的动态响应信号进行傅里叶变换，得到健康状态的CFRP结构频率响应特性，即健康状态实验数据。
步骤4：构建误差校正矩阵。
将健康状态的CFRP结构实验数据与健康状态的CFRP结构数值模拟信号数据作差得到模型误差校正矩阵9。利用健康状态实验数据构建误差校正矩阵，用以校正健康状态数值模拟信号。
步骤5：构建CFRP结构低速冲击损伤状态有限元模型。
对健康状态有限元模型1施加不同位置、不同能量等级的数值模拟低速冲击载荷，产生结构低速冲击损伤，得到具有不同低速冲击损伤状态的CFRP结构有限元模型：低速冲击损伤状态1有限元模型3、……、低速冲击损伤状态n有限元模型7。采用低速冲击载荷是为了使碳纤维复合材料结构产生低速冲击损伤。
步骤6：获取低速冲击损伤状态数值模拟信号。
对低速冲击损伤状态1有限元模型3、……、低速冲击损伤状态n有限元模型7，分别进行脉冲锤击激励下的动力响应分析4、……、动力响应分析8，得到相应的低速冲击损伤状态数值模拟信号。为了激励碳纤维复合材料结构获取结构的动态响应信号，脉冲锤击激励的冲击能量小于能够使CFRP结构产生损伤的能量阈值，才不会导致CFRP结构产生损伤。
步骤7：利用误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正，从而获得CFRP结构低速冲击损伤状态样本。
将低速冲击损伤状态数值模拟信号输入到误差校正矩阵9进行校正，得到校正后的低速冲击损伤状态数值模拟信号作低速冲击损伤数值模拟样本10，解决了损伤样本低试验代价获取的问题。
本发明实施例首先采用有限元分析方法建立CFRP结构健康状态有限元模型，并获取有限元模型健康状态数值模拟信号；其次，构建实验系统获取健康状态实验数据，并构建误差校正矩阵校正健康状态数值模拟信号；然后，在CFRP结构健康状态有限元模型的基础上，构建低速冲击损伤状态有限元模型，并获取低速冲击损伤状态数值模拟信号；最后，结合误差校正矩阵校正损伤状态数值模拟信号，获取低速冲击损伤状态样本，有效降低非理想边界条件、有限元离散化等原因导致的有限元建模误差，解决了CFRP结构损伤样本低试验代价获取问题。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，通过误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正来获取CFRP结构的低速冲击损伤状态样本。
2.根据权利要求1所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述方法具体包括：
建立CFRP结构健康状态有限元模型；
获取健康状态数值模拟信号；
构建实验系统并获取健康状态实验数据；
构建误差校正矩阵；
构建CFRP结构低速冲击损伤状态有限元模型；
获取低速冲击损伤状态数值模拟信号；
利用误差校正矩阵对低速冲击损伤状态数值模拟信号进行校正，从而获得CFRP结构低速冲击损伤状态样本。
3.根据权利要求2所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述建立CFRP结构健康状态有限元模型的过程为：采用有限元分析方法进行建立CFRP结构健康状态有限元模型。
4.根据权利要求3所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述获取健康状态数值模拟信号的过程为：对CFRP结构进行动力响应分析得到健康状态数值模拟信号，所述健康状态数值模拟信号的类型选择为结构的频率响应特性。
5.根据权利要求4所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述实验系统为健康状态的CFRP结构、冲击力锤、光纤布拉格光栅传感器和光纤光栅动态解调仪构成的CFRP结构低速冲击损伤评估实验系统。
6.根据权利要求5所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述获取健康状态实验数据过程为：
将光纤布拉格光栅传感器粘贴于健康状态的CFRP结构表面；
对健康状态的CFRP结构采用脉冲锤击激励方式进行无损激励；
光纤布拉格光栅传感器对CFRP结构进行应力变化监测；
光纤光栅动态解调仪对光纤布拉格光栅传感器的波长偏移进行调制得到CFRP结构的动态响应信号；
对CFRP结构的动态响应信号进行傅里叶变换得到健康状态的CFRP结构频率响应特性。
7.根据权利要求2所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述构建误差校正矩阵的过程为：将健康状态实验数据与健康状态数值模拟信号数据作差得到。
8.根据权利要求2所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述构建CFRP结构低速冲击损伤状态有限元模型的过程为：对CFRP结构健康状态有限元模型施加不同位置、不同能量等级的数值模拟低速冲击载荷，产生结构低速冲击损伤得到不同低速冲击损伤状态的有限元模型。
9.根据权利要求8所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述获取低速冲击损伤状态数值模拟信号的过程为：对不同低速冲击损伤状态的有限元模型进行动力响应分析得到低速冲击损伤状态数值模拟信号。
10.根据权利要求2所述的CFRP低速冲击损伤样本低试验代价获取方法，其特征在于，所述获得CFRP结构低速冲击损伤状态样本的过程为：将低速冲击损伤状态数值模拟信号输入到误差校正矩阵进行校正。
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