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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-12-11 16:20
復(fù)合材料因其本身比強(qiáng)度高、比剛度高，在高溫、疲勞與腐蝕等環(huán)境中耐受性優(yōu)良，減震抗損，安全可靠且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，而被廣泛地運(yùn)用于航空航天工業(yè)的主要和次要結(jié)構(gòu)件中。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與可靠直接影響了航空航天結(jié)構(gòu)的能否實(shí)現(xiàn)安全、高效地長期運(yùn)行這個(gè)目標(biāo)。
復(fù)合材料內(nèi)部存在大量的非線性及分散性結(jié)構(gòu)因素，其結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度以及破壞失效模式難以預(yù)測，并且復(fù)合材料的損傷具有隱蔽性，嚴(yán)重影響了航空航天結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。
1、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)（SHM）是源于智能材料結(jié)構(gòu)的概念，該技術(shù)是將傳感器與驅(qū)動(dòng)器按照一定方式排布在結(jié)構(gòu)中，收集結(jié)構(gòu)信息（應(yīng)變、應(yīng)力、模態(tài)、溫度等），并根據(jù)收集到的結(jié)構(gòu)信息對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行判斷分析，監(jiān)視評(píng)估結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況以及檢測損傷情況并且預(yù)估結(jié)構(gòu)的剩余運(yùn)行壽命。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與目前常用的無損檢測技術(shù)（NDT）是有著較大的區(qū)別的：常規(guī)無損檢測技術(shù)需要進(jìn)行停機(jī)檢查，且依賴外部設(shè)備；而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是實(shí)時(shí)傳遞結(jié)構(gòu)信息的，無需額外的停機(jī)拆卸。
SHM的原理、分類、應(yīng)用及其發(fā)展
2、航天復(fù)合材料SHM研究進(jìn)展
隨著飛行器中復(fù)合材料的占比逐漸增加，對(duì)于飛行器結(jié)構(gòu)的安全性的要求也日益嚴(yán)苛。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷具有隱蔽性與復(fù)雜性，監(jiān)測飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、收集狀態(tài)信息并判斷損傷情況及剩余壽命對(duì)保證飛行器結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行具有重要意義。
典型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)
目前常用在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的典型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)包括光纖傳感監(jiān)測技術(shù)、基于超聲導(dǎo)波的監(jiān)測技術(shù)、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)以及機(jī)電阻抗監(jiān)測技術(shù)。
國外在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究上起步較早，技術(shù)相對(duì)與成熟，針對(duì)航空航天等極端工況下的應(yīng)用研究較為全面；國內(nèi)起步較晚，然而發(fā)展迅速，在基礎(chǔ)研究以及民生應(yīng)用方面較為成熟且全面，而在航空航天等極端環(huán)境下的研究規(guī)模較小，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)尚待豐富。
1、光纖傳感監(jiān)測法
光纖傳感器的操作原理是當(dāng)光源發(fā)射的光束通過光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器，在調(diào)制器內(nèi)部，該光束與外部測量參數(shù)進(jìn)行交互，導(dǎo)致光的光學(xué)特性（例如強(qiáng)度、波長、頻率、相位和偏振狀態(tài)）發(fā)生變化。這種變化產(chǎn)生了被調(diào)制的光信號(hào)。然后這個(gè)被調(diào)制的光信號(hào)通過光纖傳輸?shù)焦怆娫O(shè)備，并在經(jīng)過解調(diào)器處理后，得到了被測參數(shù)。
根據(jù)傳感器工作原理，迄今為止開發(fā)的用于SHM的光纖傳感器可分為三種主要類型：干涉式、光柵式和分布式。這三種傳感器除了工作原理不同外，還提供了不同的空間分辨率測量能力。
光纖傳感的主要模塊
光纖傳感器的基本原理和類型
準(zhǔn)分布式和分布式光纖傳感器在航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有更大的潛力。2023年，那不勒斯腓特烈二世大學(xué)的Pasquale等基于布拉格光柵傳感器（FBG）開發(fā)了一種能夠連續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測航空結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量的的新方法，該方法利用了光纖傳感器由溫度引起的應(yīng)變敏感性與粘接質(zhì)量的敏感性之間的關(guān)系，能夠監(jiān)測到僅有幾攝氏度的熱變化。
中航工業(yè)計(jì)量所的王文娟等將FBG傳感器埋入了飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過其監(jiān)測到的波長的突變來判斷結(jié)構(gòu)是否受到?jīng)_擊，并且定位沖擊位置，誤差小于5 cm，提高了結(jié)構(gòu)的安全與可靠性。
FBG傳感器及其排布方式
(a)傳感器布置位置及測試系統(tǒng)；(b)光纖光柵傳感器及解調(diào)儀
綜合國內(nèi)外研究，基于布拉格光柵的光纖傳感器與分布式光纖傳感技術(shù)是目前最具潛力的光纖傳感監(jiān)測技術(shù)，并且相關(guān)研究多數(shù)集中于傳感器精度、應(yīng)用環(huán)境以及大型光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。
2、基于超聲導(dǎo)波的監(jiān)測技術(shù)
基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的原理主要是利用導(dǎo)波在傳播時(shí)，經(jīng)過損傷部位時(shí)會(huì)令導(dǎo)波發(fā)生散射，改變其傳播特性，通過信號(hào)處理方法即可獲取損傷參數(shù)并判斷損傷情況。
由于航空飛行器結(jié)構(gòu)中板結(jié)構(gòu)居多，因此板波在航空SHM中的應(yīng)用逐漸增多，其中最具有應(yīng)用潛力的是蘭姆（Lamb）波，蘭姆波是一種在具有平行自由邊界的板狀薄板中傳播的導(dǎo)波。
基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測原理：(a) 被動(dòng)監(jiān)測；(b) 主動(dòng)監(jiān)測
國內(nèi)研究方面，南京航空航天大學(xué)針對(duì)蘭姆波監(jiān)測過程中損傷散射信號(hào)的信噪比進(jìn)行研究，提出了基于時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦原理的信號(hào)增強(qiáng)與損傷成像方法，根據(jù)蘭姆波的特性，用聚焦的方法放大散射的信號(hào)能量，從而增大信噪比，研究表明該方法能夠較為準(zhǔn)確的監(jiān)測出損傷的位置與范圍等信息。
國外方面，倫敦大學(xué)研究材料各向異性和方向性對(duì)準(zhǔn)各向同性CFRP面板損傷周圍導(dǎo)波散射的影響，通過非接觸式激光測量和全三維有限元模擬，研究了人工插入分層和永磁體周圍的模式的多個(gè)入射波方向，分析并比較了兩種損傷類型的散射模式，總結(jié)了材料各向異性對(duì)蘭姆波的影響規(guī)律，為后續(xù)設(shè)計(jì)用于監(jiān)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的蘭姆波監(jiān)測系統(tǒng)提供了參考。
CFRP層合板導(dǎo)波散射影響試驗(yàn)示意圖(a)試驗(yàn)裝置；(b)傳感器位置示意
CFRP層合板對(duì)蘭姆波的散射影響
3、聲發(fā)射技術(shù)
聲發(fā)射（AE）是一種物理現(xiàn)象，其發(fā)生在材料受到外部力或內(nèi)部應(yīng)力的影響時(shí)。當(dāng)材料的局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，會(huì)以瞬態(tài)彈性應(yīng)力波的形式釋放能量。這種能量釋放過程即為聲發(fā)射。
聲發(fā)射技術(shù)原理示意圖
荷蘭帝斯曼研究所的Groot等研究了不同加載條件下CFRP失效時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的頻率響應(yīng)。研究表明，基體失效和纖維失效分別產(chǎn)生100 kHz和300 kHz頻率的彈性波，而間歇頻率響應(yīng)則針對(duì)脫粘和拉出失效，對(duì)每一類故障進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。
北京機(jī)電工程研究所的肖登紅等開發(fā)了一種利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下C/SiC結(jié)構(gòu)損傷特性的方法，分析了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中典型聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)特征，得到了聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)與振動(dòng)載荷之間的關(guān)系，結(jié)果表明，聲發(fā)射技術(shù)可以有效地應(yīng)用于研究C/SiC復(fù)合材料在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境中的損傷行為。
用于聲發(fā)射的光纖傳感器結(jié)構(gòu)
復(fù)合材料層合板中聲發(fā)射傳感器監(jiān)測結(jié)果
4、機(jī)電阻抗法
局部微裂紋的形成和擴(kuò)展會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)局部的機(jī)電阻抗產(chǎn)生影響?；跈C(jī)電阻抗的SHM技術(shù)利用附著在結(jié)構(gòu)上的小型壓電傳感器作為自感執(zhí)行器，通過高頻激勵(lì)同時(shí)激勵(lì)結(jié)構(gòu)，并監(jiān)測傳感器電阻抗特征的變化，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。
里加工業(yè)大學(xué)的Pavelko等采用基于EMI技術(shù)對(duì)飛機(jī)全尺寸部件螺栓連接進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，并建立了新的EMI二維模型，事實(shí)證明，螺栓接頭的松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致EMI指標(biāo)發(fā)生顯著且統(tǒng)計(jì)上穩(wěn)定的變化。
南卡羅萊納大學(xué)的Roth等采用EMI方法對(duì)航空航天結(jié)構(gòu)中粘合劑的剝離行為進(jìn)行了監(jiān)測，開發(fā)了一種連續(xù)監(jiān)測原位粘合接頭的方法，以便粘合劑可以用于主要的航空航天結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測引起脫粘局部振動(dòng)的頻率。
機(jī)電阻抗法試驗(yàn)裝置
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用
從結(jié)構(gòu)的角度，列舉了幾種航天飛行器中的典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)：燃料貯箱結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)以及機(jī)翼前緣結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)，并且通過列舉與總結(jié)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在典型航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與研究案例對(duì)目前航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展情況以及后續(xù)趨勢進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與總結(jié)。
液氮復(fù)合罐中壓電陶瓷傳感器（PZT）布局圖
JAXA可重復(fù)使用火箭第四次靜態(tài)發(fā)射試驗(yàn)
復(fù)合材料包覆壓力容器傳感器結(jié)構(gòu)
采用聲發(fā)射技術(shù)探究燃料貯箱的損傷機(jī)制
熱防護(hù)（TPS）結(jié)構(gòu)分級(jí)健康監(jiān)測系統(tǒng)
TPS結(jié)構(gòu)高溫氣流損傷導(dǎo)波監(jiān)測平臺(tái)
機(jī)翼前緣碰撞檢測系統(tǒng)示意圖
結(jié)果表明，目前針對(duì)航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用及系統(tǒng)布置多集中于燃料貯箱結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)等敏感性較高的結(jié)構(gòu)，由于這些結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境較其他部位更加惡劣，目前針對(duì)航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究多集中于系統(tǒng)元件的可靠性，如傳感器的環(huán)境補(bǔ)償、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾缘鹊取?/span>
SHM的典型評(píng)估方法
目前航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中的典型評(píng)估方法包括基于響應(yīng)的方法、基于可靠性的方法、 特征提取方法、計(jì)算機(jī)視覺以及機(jī)器學(xué)習(xí)等，通過列舉部分研究與應(yīng)用案例對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)評(píng)估方法進(jìn)行了總結(jié)。
損傷識(shí)別方法示意圖
結(jié)構(gòu)劣化監(jiān)測流程圖
計(jì)算機(jī)視覺SHM示意圖
實(shí)際彈性模量退化與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果的比較
復(fù)合材料的損傷模式示意圖
結(jié)果表明，目前對(duì)于評(píng)估方法的研究多集中于信號(hào)收集精度、數(shù)據(jù)處理算法的效率以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式等方面，結(jié)合力學(xué)原理并且著重于判斷復(fù)合材料損傷模式、分析損傷成因以及損傷演化進(jìn)程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)目前研究得并不全面，針對(duì)該方面的技術(shù)研究將成為后續(xù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。
3、未來研究方向展望
航天飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的未來研究方向包括：
(1) 目前應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)大多數(shù)來源于航空結(jié)構(gòu)，針對(duì)航天結(jié)構(gòu)工作環(huán)境特有的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)需要進(jìn)行研究，例如針對(duì)航天極端環(huán)境下的傳感器結(jié)構(gòu)相關(guān)研究。
(2) 隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)所應(yīng)用的范圍增大，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)量日漸龐大繁雜，需要更新數(shù)據(jù)處理技術(shù)從而能夠在海量的數(shù)據(jù)中取得有效的特征信息以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的更加精確的監(jiān)控。
(3) 隨著針對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)各部分的研究更加完善，關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的系統(tǒng)集成技術(shù)亟待深入研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的全方位的監(jiān)測與管理。
(4) 航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制備方法多采用一體成型，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)與航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備相結(jié)合而成的融合技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與監(jiān)測的一體化與協(xié)同化。
(5) 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的核心始終是損傷識(shí)別以及結(jié)構(gòu)剩余性能、壽命的分析評(píng)估，因此結(jié)合了力學(xué)原理的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)評(píng)估方法更有利于可重復(fù)使用航天結(jié)構(gòu)、航天結(jié)構(gòu)的視情維修以及航天器自修復(fù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
作者：劉青旭1,2，陳海峰3，BRYANSKY Anton1，熊健1,2，韋興宇1,2
工作單位：1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所
2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部
通信作者簡介：韋興宇，博士，助理教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槌p高穩(wěn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備及力學(xué)性能表征及評(píng)價(jià)。
來源：《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》
來源：Internet
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