基于光纖光柵傳感的復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)修補(bǔ)監(jiān)測(cè)研究*

上海東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湯 珺

上海交通大學(xué)空天科學(xué)技術(shù)研究院 趙海濤

航空航天結(jié)構(gòu)、城市基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)械系統(tǒng)等在持續(xù)使用中會(huì)發(fā)生疲勞、老化，在此過(guò)程中還有可能伴隨著損傷的積累，以及在使用中發(fā)生的意外損傷。為了延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，必然要對(duì)結(jié)構(gòu)采取修補(bǔ)措施。

粘貼修補(bǔ)對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的局部損傷是一種合適的首選方案，這種修補(bǔ)對(duì)于恢復(fù)結(jié)構(gòu)的極限承載性能提供了高效的方法。粘貼修補(bǔ)同螺栓修補(bǔ)相比，有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，包括極小地改變空氣動(dòng)力學(xué)外形，減輕重量，降低成本，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜外形的可成型性等。當(dāng)然，粘貼修補(bǔ)也存在一些缺點(diǎn)，除了粘接退化的可能，缺陷和損傷對(duì)粘接強(qiáng)度具有不利的影響，粘接修補(bǔ)檢查成為必不可少的一部分工作。由健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定修補(bǔ)質(zhì)量和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)修補(bǔ)的耐久力是一種很好的解決辦法。

從經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)安全的方面考慮，對(duì)結(jié)構(gòu)修補(bǔ)處進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，不僅能節(jié)約維護(hù)成本，還能評(píng)估修補(bǔ)后的結(jié)構(gòu)完整性，提高安全性[1]。監(jiān)控復(fù)合材料和膠粘劑的固化循環(huán)可以保證其符合技術(shù)條件，也能提供主體和修補(bǔ)片之間的熱應(yīng)力分布，提供可靠的膠接數(shù)據(jù)。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中必須要滿(mǎn)足可靠性、耐久性和環(huán)境適應(yīng)性的要求，而只有實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)才能夠提供真實(shí)準(zhǔn)確的信息。

Qing等[1]將主動(dòng)智能補(bǔ)片（以壓電陶瓷為傳感器）埋入到修補(bǔ)片之間，同修補(bǔ)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，監(jiān)測(cè)修補(bǔ)過(guò)程中膠粘劑的固化，察覺(jué)早期主體和修補(bǔ)片的脫粘，監(jiān)測(cè)修補(bǔ)片周?chē)谄谘h(huán)下的損傷。Wu等[2]使用壓電傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)修補(bǔ)片和全比例橋模型之間的脫粘，能夠獲取脫粘的位置和大小。這兩項(xiàng)工作對(duì)數(shù)據(jù)的分析均基于壓電材料的基本原理。

Sekine等[3]將光纖光柵粘貼在鋁修補(bǔ)片表面，用測(cè)量光譜值和數(shù)值模擬光譜值之間的最小差分來(lái)確定疲勞裂紋的位置和外形。Fujimoto等[4]用最小殘差范數(shù)方法辨識(shí)飛機(jī)修補(bǔ)處的裂紋位置和方向。Takeda等[5]用小直徑光柵監(jiān)測(cè)了復(fù)合材料修補(bǔ)片和鋁基底之間的分層，認(rèn)為反射譜強(qiáng)度和分層的大小存在著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。Li等[6-7]用有限元分析了表面擴(kuò)大面積維修和內(nèi)部斜接維修，以此來(lái)優(yōu)化光柵的布設(shè)位置，試驗(yàn)表明表面粘貼維修的效果較好。White等[8]基于頻率響應(yīng)的SHM技術(shù)，應(yīng)用于判斷復(fù)合材料粘貼片的脫粘?？紤]了兩種普通的修補(bǔ)設(shè)計(jì)，外部擴(kuò)大修補(bǔ)和斜接修補(bǔ)，通過(guò)頻率響應(yīng)的變化能很容易發(fā)現(xiàn)兩種修補(bǔ)類(lèi)型的損傷。Kressela等[9]使用光纖光柵監(jiān)測(cè)了修補(bǔ)結(jié)構(gòu)在濕熱、分層情況下受循環(huán)載荷的響應(yīng)。

本文將光纖光柵傳感器粘貼在復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)的表面，以及嵌入到修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，用于監(jiān)測(cè)在3點(diǎn)彎曲下蒙皮結(jié)構(gòu)的損傷和修補(bǔ)過(guò)程，以及修補(bǔ)后的承載狀態(tài)，以期為飛機(jī)結(jié)構(gòu)修補(bǔ)狀態(tài)的全過(guò)程監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1 光纖光柵的靈敏系數(shù)及復(fù)合材料層板的制造

1.1 光纖光柵的傳感原理及靈敏系數(shù)

光纖布拉格光柵（FBG）的工作原理是Bragg中心反射峰波長(zhǎng)λB的變化可反映外界的擾動(dòng)，如溫度、應(yīng)變等，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)λB的漂移量，就可獲得被測(cè)量。

當(dāng)應(yīng)變作用于光柵時(shí)，拉伸或壓縮可改變柵格間距，使波長(zhǎng)出現(xiàn)變化；當(dāng)溫度作用于光柵時(shí)，材料的膨脹和收縮會(huì)改變光柵的周期，波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)漂移。因此，波長(zhǎng)的變化可由下式表示：

式中，ΔλB為波長(zhǎng)漂移量，分別為應(yīng)變變化量和溫度變化量，分別為傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)和溫度靈敏系數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量獲得。應(yīng)變靈敏系數(shù)的測(cè)量裝置示意圖如圖1所示，光纖光柵的兩端粘貼固定在平臺(tái)上，平臺(tái)的一端為固定端，另一端通過(guò)螺旋測(cè)微器可在水平方向前后活動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，由螺旋測(cè)微器給定移動(dòng)量，從而光柵會(huì)有一應(yīng)變值和一波長(zhǎng)漂移量相對(duì)應(yīng)。波長(zhǎng)漂移量和應(yīng)變值的比值即為應(yīng)變靈敏系數(shù)。

圖1 應(yīng)變靈敏系數(shù)測(cè)量裝置示意圖Fig.1 Diagram of measuring set-up for strain sensitivity coefficient

本文采用SM130光纖光柵解調(diào)儀測(cè)量波長(zhǎng)的變化量，試驗(yàn)中在光柵應(yīng)變傳感器旁放置一溫度傳感器進(jìn)行解耦，消除溫度影響。光柵的應(yīng)變靈敏系數(shù)試驗(yàn)測(cè)量值為 1.174 pm/με。

1.2 復(fù)合材料層合板的制造

使用碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料制造復(fù)合材料層合板，制作的試件尺寸為300mm×150mm，其鋪層形式為[0°/90°]8，共16層。預(yù)浸料的固化工藝為：從室溫開(kāi)始升溫到90℃—保溫30min—升溫到130℃—保溫30min—保溫結(jié)束后施加0.6MPa壓力—升溫到175℃—保溫210min，升溫速率為2℃/min。然后關(guān)閉加熱裝置，自然降溫至室溫。試驗(yàn)在熱壓罐中完成，溫度控制通過(guò)可編程模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)合材料固化工藝圖如圖2所示。

2 復(fù)合材料層板損傷監(jiān)測(cè)

圖2 復(fù)合材料固化工藝圖Fig.2 Curing process diagram of composites

圖3 復(fù)合材料層合板3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖Fig.3 Diagram for three-point bending test of composite laminates

先對(duì)制作好的復(fù)合材料層合板進(jìn)行無(wú)損傷狀態(tài)下的3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)示意圖如圖3所示。層板兩端簡(jiǎn)支，跨距為240mm。載荷施加在層板中心點(diǎn)上，加載頭為直徑6mm的圓柱固定在試驗(yàn)機(jī)上。光纖光柵布設(shè)在加載點(diǎn)的反面。試驗(yàn)中施加的最大載荷為100N，每10N讀取1次光纖光柵的數(shù)值。然后對(duì)復(fù)合材料層合板制作損傷，損傷為人為作出的孔，孔的大小分別為4mm、6mm、8mm。試驗(yàn)過(guò)程同無(wú)損傷情況相同，其監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料層合板應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Results of strain monitoring for composite laminates

從圖4可以看出，復(fù)合材料層合板在沒(méi)有損傷的情況下，剛度較大，由光纖光柵測(cè)量到的應(yīng)變值較小。當(dāng)層合板開(kāi)始有損傷后，剛度受到影響，其應(yīng)變值有所增大。隨著損傷孔洞的逐漸增大，剛度進(jìn)一步受到影響，應(yīng)變持續(xù)增大。

上述試驗(yàn)證明了光纖光柵可很好地識(shí)別復(fù)合材料的損傷及大小。通過(guò)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上布置光纖光柵網(wǎng)絡(luò)，可獲得損傷的位置和受損程度，實(shí)現(xiàn)快速定位和維護(hù)。

3 基于光纖光柵傳感原理的復(fù)合材料層板修補(bǔ)過(guò)程及狀態(tài)監(jiān)測(cè)

3.1 修補(bǔ)過(guò)程監(jiān)測(cè)

裁剪一塊30mm×30mm的修補(bǔ)片，采用AB型樹(shù)脂膠粘貼在孔洞處，并將一光纖光柵嵌入在修補(bǔ)片當(dāng)中，監(jiān)測(cè)固化過(guò)程，其固化應(yīng)變歷程如圖5所示。

圖5 層合板修補(bǔ)過(guò)程固化監(jiān)測(cè)Fig.5 Cure monitoring for patching process of composite laminates

樹(shù)脂膠在固化初期有熱量散出，使光柵的波長(zhǎng)值增大。在300s時(shí)對(duì)修補(bǔ)片施加了壓力進(jìn)行壓緊，使光柵的應(yīng)變值迅速增大；隨著樹(shù)脂膠的穩(wěn)定，光柵的應(yīng)變值又有回落。樹(shù)脂膠的固化程度越來(lái)越高，在750s時(shí)固化基本完成，沒(méi)有固化熱量散出，光柵測(cè)量的應(yīng)變值開(kāi)始下降，在2000s后基本穩(wěn)定，其殘余應(yīng)變保持在84με。

采用光纖光柵對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固化過(guò)程監(jiān)測(cè)，可獲得粘接劑的全部固化過(guò)程，并由此可判斷粘合的狀態(tài)，以及膠粘劑的殘余應(yīng)變。同時(shí)，嵌入的光纖光柵傳感器還可進(jìn)行修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估。

3.2 修補(bǔ)結(jié)構(gòu)有限元分析與狀態(tài)監(jiān)測(cè)

3.2.1 修補(bǔ)結(jié)構(gòu)有限元分析

采用HYPERMESH對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元的單元?jiǎng)澐?，在ANSYS軟件中進(jìn)行求解。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的有限元?jiǎng)澐秩鐖D6所示。

單元選用SOLID46，修補(bǔ)片和結(jié)構(gòu)采用相同的材料常數(shù)，模擬值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果如圖7所示。實(shí)測(cè)值略大于模擬值，兩者比較接近，說(shuō)明光纖光柵的測(cè)量值是比較準(zhǔn)確的。

3.2.2 修補(bǔ)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，檢驗(yàn)修補(bǔ)后結(jié)構(gòu)的剛度和變形情況。試驗(yàn)步驟同上述部分，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖6 修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的有限元圖Fig.6 Finite element of repaired structure

圖7 修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖Fig.7 Comparison of measured and simulated values of repaired structure

圖8 層合板修補(bǔ)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖Fig.8 Condition monitoring for repaired structure of composites laminate

從圖8可看出，增加修補(bǔ)片后，復(fù)合材料層合板的剛度明顯增加，在100N的載荷下，修補(bǔ)前后的應(yīng)變相差240με。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足剛度和變形的要求，嵌入的光纖光柵在修補(bǔ)片和層合板之間，變形較小，測(cè)量到的值也較小。

4 結(jié)論

（1）采用光纖光柵傳感器可監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷，以及損傷的大??；

（2）埋入式光纖光柵傳感器可監(jiān)測(cè)復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)過(guò)程，以及修補(bǔ)后的受力狀態(tài)，對(duì)修補(bǔ)情況進(jìn)行評(píng)估；

（3）未來(lái)可將光纖光柵應(yīng)用于飛機(jī)修補(bǔ)部位的全過(guò)程監(jiān)測(cè)，并對(duì)修補(bǔ)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

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