基于光纖光柵傳感器內(nèi)埋的復(fù)合材料加筋板沖擊位置識別

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1、STRUCTURALHEALTHMONITORINGFORCOMPOSITES復(fù)材材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測復(fù)合材料加筋板沖擊位置識別王文娟，宋昊，吳天，薛景鋒(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京10()095)【摘要】光纖光柵傳感器是實現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的最佳選擇，可實現(xiàn)對復(fù)合材料沖擊載荷位置的實時識別，鎖定損傷區(qū)域，視情檢測，提高效率，減小安全隱患。將光纖光柵傳感器在復(fù)合材料層合板預(yù)浸料階段埋入，通過熱壓罐固化方式成型為一體化結(jié)構(gòu)，研究傳感器對層合板不同位置載荷沖擊的識別技術(shù)；并將12支光纖光柵傳感器內(nèi)埋于航空飛機典

2、型復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)，通過互相關(guān)函數(shù)算法成功實現(xiàn)了小尺寸加筋板結(jié)構(gòu)的沖擊定位判別。關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；光纖光柵傳感器；內(nèi)埋；沖擊位置識別DoI：10．16080勻．issnl671-833x．2016．15．103王文娟碩士．畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，主要從事基于光纖光柵傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究。對內(nèi)埋不同光纖密度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響、內(nèi)埋光纖對復(fù)合材料微觀界面的影響，以及復(fù)合材料平板、加筋板、機翼油箱綜合盒段的受沖擊載荷定位識別技術(shù)有深入研究。碳纖維復(fù)合材料層壓板憑其獨特的質(zhì)輕、比強度高、設(shè)計性

3、強等優(yōu)勢在飛機關(guān)鍵部位的用量與日俱增，然而該材料在沖擊載荷作用下，內(nèi)部易出現(xiàn)分層、脫粘等損傷，表面難以察覺，易帶來重大安全隱患?。傳統(tǒng)周期性的損傷檢查方式如超聲波檢查等，以人工為主，檢查速率低且無針對性區(qū)域，耗時耗力且耗費巨大，無法滿足新一代裝備結(jié)構(gòu)實時健康監(jiān)測的需求。需要結(jié)合實時監(jiān)測的方式對沖擊位置和能量進行預(yù)先識別，根據(jù)載荷情況鎖定待檢區(qū)域，視情檢查，提高效率，確保安全性。傳統(tǒng)的載荷監(jiān)測傳感器為表貼式，所用膠粘劑在飛機所處惡劣環(huán)境中易老化，耐久性差，易受電磁干擾，布線繁瑣；另一方面無法真實感知材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，難以真正實

4、現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的預(yù)測與健康管理(PHM)。光纖布拉格光柵(FBG)傳感器結(jié)構(gòu)靈巧似“頭發(fā)絲”，易內(nèi)埋于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一體化結(jié)構(gòu)，可靠性高，抗電磁干擾，一根光纖可實現(xiàn)上百個測量點，是內(nèi)埋于復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)監(jiān)測的最佳傳感器12-31。美國波音公司利用FBG傳感技術(shù)測試了航天飛機結(jié)構(gòu)在實際飛行環(huán)境中的溫度、應(yīng)變、腐蝕的變化情況，并在波音777和787中均采用了FBG光纖手段進行相關(guān)參數(shù)的跟蹤，效果顯著141；美國將FBG傳感器內(nèi)埋于碳納米管增強復(fù)合材料，監(jiān)測不同載荷下的碳納米層的應(yīng)變變化【5】；空客公司提出了基于FBG傳感技

5、術(shù)的整體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測項目，并將其應(yīng)用于C一27J“斯巴達人”運輸機的溫度、微應(yīng)變等空中監(jiān)測研究[61；日本宇航研發(fā)機構(gòu)利用FBG傳感器應(yīng)用于復(fù)合材料機翼結(jié)構(gòu)進行健康檢測并通過耐久性試驗驗證其可長期使用的能力，并在復(fù)合材料上安裝了近250支FBG傳感器監(jiān)測飛機機翼盒段在飛行載荷測試中的應(yīng)變場和載荷分布[7-91G瑞士聯(lián)邦技術(shù)協(xié)會利用FBG傳感器內(nèi)埋于復(fù)合材料來2016年第15期·航空制造技術(shù)103復(fù)材材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測STRUCTURALHEAL_THMONITORlNGFORCOMPOSITES監(jiān)測內(nèi)部彈性應(yīng)變和纖維樹脂分層損

6、傷情況Imo]。國內(nèi)以高校和科研機構(gòu)為代表，南京航空航天大學(xué)的袁慎芳等在復(fù)合材料機翼盒段上利用表面安裝的FBG傳感器實現(xiàn)了盒段承受載荷的有效監(jiān)測”1‘他1；北京航空航天大學(xué)張博明等¨剮開展了新型的分布式光纖傳感器，針對復(fù)合材料固化過程的監(jiān)測；武漢理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要側(cè)重開展橋梁、大壩等民用領(lǐng)域的健康監(jiān)測。國外雖有具體型號應(yīng)用的報道，但未對光纖傳感器內(nèi)埋復(fù)合材料的技術(shù)細節(jié)進行披露，國內(nèi)研究側(cè)重民用和實驗室階段，技術(shù)尚未成熟，對內(nèi)埋工藝、應(yīng)變、載荷監(jiān)測的研究處于起步階段。中航工業(yè)計量所17’6】立足航空復(fù)合材料智能監(jiān)測需

7、求，已經(jīng)形成包括光纖光柵傳感器和解調(diào)儀生產(chǎn)、封裝、測試服務(wù)等技術(shù)能力，并開展了大量的光纖內(nèi)埋復(fù)合材料工藝和性能測試研究，保證了光纖光柵傳感器的高成活性、埋植工藝一致性，信號可靠性，支撐了光纖光柵傳感器內(nèi)埋航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行沖擊載荷定位監(jiān)測技術(shù)的研究。本文將光纖光柵傳感器在復(fù)合材料層合板預(yù)浸料階段埋人，通過熱壓罐固化方式成型為一體化結(jié)構(gòu)，研究傳感器對層合板不同位置載荷沖擊的識別技術(shù)；并將4串(12支)光纖光柵傳感器內(nèi)埋于航空飛機典型復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)，通過互相關(guān)函數(shù)算法成功實現(xiàn)了小尺寸加筋板結(jié)構(gòu)的沖擊定位判別。內(nèi)埋FBG傳感

8、器的復(fù)合材料平板沖擊理論分析試件材料為碳纖維增強環(huán)氧基復(fù)合材料，制件尺寸為150ramX100ramX4ram，符合ASTMD7137M一07標(biāo)準(zhǔn)，單層預(yù)浸料厚0．125ram，共32層，鋪層方式為104航空制造技術(shù)·2016年第1s期[45／0／一45／901。。。在復(fù)合材料預(yù)浸料熱壓罐