基于超聲導波的復合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測研究

白生寶，肖迎春，黃博，田媛

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

引言

復合材料結(jié)構(gòu)由于具有比強度高、可設(shè)計性強以及結(jié)構(gòu)重量和制造方面的優(yōu)勢，被廣泛應用于航空航天等國防領(lǐng)域，成為結(jié)構(gòu)減重、提高裝備運營經(jīng)濟性的重要策略之一[1,2]，已成為現(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)材料重要的發(fā)展方向和應用趨勢。隨著國產(chǎn)復合材料結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，逐漸向主承力結(jié)構(gòu)應用，復合材料在新的軍民用飛機各類型號中的用來不斷提高。復合材料結(jié)構(gòu)是按照損傷容限思想來設(shè)計的，復合材料結(jié)構(gòu)地面積木式試驗驗證是實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)航空應用和保證其結(jié)構(gòu)完整性的一個重要環(huán)節(jié)，試驗中損傷的及時發(fā)現(xiàn)和快速檢出是損傷容限試驗的重要目的之一[3,4]，是制定飛機外場維護大綱的重要依據(jù)。目前，試驗中按照試驗大綱采用常規(guī)無損檢測技術(shù)對復合材料結(jié)構(gòu)實施檢測[5-10]，傳統(tǒng)方法極其耗費勞動量和時間，是影響試驗周期和效率的一個重要因素之一。同時，由于復合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)型復雜、損傷模式復雜多樣、損傷隱蔽性強且分散性大，大多損傷目視不可見，試驗中對損傷的及時發(fā)現(xiàn)、定位和監(jiān)控成為復合材料結(jié)構(gòu)應用所面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)，迫切需要發(fā)展針對復合材料結(jié)構(gòu)的損傷在線監(jiān)測與快速診斷技術(shù)。

隨著材料、傳感器、信號處理等技術(shù)的發(fā)展，針對復合材料結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測和識別需求，研究人員開展了大量研究與實驗，開發(fā)了多種監(jiān)測技術(shù)，其中基于壓電傳感器的超聲導波技術(shù)被認為最有潛力的監(jiān)測技術(shù)之一[11-15]，成為近年來國內(nèi)外研究的技術(shù)熱點[16-19]。

本文基于超聲導波和典型相關(guān)分析，提出了一種復合材料結(jié)構(gòu)損傷實時監(jiān)測和快速診斷方法。該方法將復合材料結(jié)構(gòu)完好狀況的基線信號和損傷信號之間的相關(guān)系數(shù)定義為損傷指數(shù)，以此來表征復合材料結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)（損傷、完好等）。選取典型復合材料T型結(jié)構(gòu)開展了監(jiān)測實驗，通過實驗和無損檢測結(jié)果，確定了復合材料結(jié)構(gòu)典型損傷的診斷閾值。

1 復合材料結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)

基于壓電傳感器的超聲導波監(jiān)測技術(shù)是通過壓電傳感器對機體結(jié)構(gòu)施加主動激勵，在結(jié)構(gòu)中激勵出彈性波，同時使用多個壓電傳感器感知結(jié)構(gòu)中不同位置處的彈性波傳遞信號，結(jié)合信號處理和辨識技術(shù)對結(jié)構(gòu)的完好狀態(tài)進行辨識和診斷。

目前在航空領(lǐng)域廣泛應用的復合材料結(jié)構(gòu)主要以層合板結(jié)構(gòu)為主，超聲導波在這類結(jié)構(gòu)中激發(fā)出彈性波的通常稱為Lamb波。相對其他損傷監(jiān)測方法，基于超聲導波的損傷監(jiān)測方法具有對結(jié)構(gòu)損傷萌生敏感、適用于無損檢測不可達/不可檢結(jié)構(gòu)區(qū)域的損監(jiān)測、布置傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)大面積的區(qū)域監(jiān)測等優(yōu)點。

在實施超聲導波損傷識別與診斷過程中，由于損傷往往會改變超聲導波的傳播強度和方向，從而引起監(jiān)測傳感器的信號。結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測的壓電傳感器信號變化程度與其監(jiān)測路徑上損傷的嚴重程度密切相關(guān)。因此，建立適當?shù)谋O(jiān)測路徑傳感器信號變化損傷指數(shù)，就可以表征結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。本文以典型相關(guān)分析理論為基礎(chǔ)，以導波監(jiān)測傳感器監(jiān)測路徑信號為損傷指數(shù)，用以表征監(jiān)測結(jié)構(gòu)區(qū)域的損傷情況?；谙嚓P(guān)系數(shù)的損傷指數(shù)（DI）如下所示:

式中：

Corr—超聲導波在復合材料結(jié)構(gòu)完好狀態(tài)下的基線信號與結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時導波信號之間的相關(guān)系數(shù)。

時下，簡政并節(jié)制政府支出，無疑乃當務之急。發(fā)達國家的行政支出可能占財政支出的10%左右，中國大約在20%以上。這么高的行政支出是不是必要？是不是用得都合理？其實有很多不合理的地方。比如說，我們政府機構(gòu)很臃腫，機構(gòu)很多，好幾套班子，領(lǐng)導干部一個正職，七八個、十來個副職，人浮于事。多年來未能解決，常常是精簡了又膨脹，“廟多神多，香火錢多”，諸多政府支出不盡合理，壓縮空間很大。

定義同一條壓電傳感器監(jiān)測路徑上結(jié)構(gòu)完好裝好狀態(tài)下的信號B={B1，B2，…，Bi}為基線信號，發(fā)生損傷時的信號D={D1，D2，…，Di}為損傷信號， i為采集點序號。那么，相關(guān)系數(shù)Corr為可表示為:

損傷指數(shù)（DI）可以反映壓電傳感器監(jiān)測路徑上及監(jiān)測區(qū)域附近的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)（完好、損傷萌生、損傷擴展）。DI值可以表征監(jiān)測路徑或監(jiān)測區(qū)域附近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷/損傷擴展等程度。每4個壓電傳感器組成一個最小監(jiān)測網(wǎng)絡，共6條監(jiān)測路徑。當2個傳感器監(jiān)測路徑上的信號出現(xiàn)異常時，認為該監(jiān)測路上的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷；當最小監(jiān)測網(wǎng)絡的6各監(jiān)測路徑信號出現(xiàn)異常時，認為該最小監(jiān)測網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域出現(xiàn)損傷。與傳統(tǒng)的基于超聲導波的損傷成像、特征診斷等方法相比，在對大型裝備結(jié)構(gòu)實施超聲導波損傷監(jiān)測時，本文建立的損傷指數(shù)（DI）監(jiān)測方法操作性更強、工程應用結(jié)果診斷更迅速。

因此，本文針對大型復合材料結(jié)構(gòu)損傷快速監(jiān)測與診斷需求，以壓電傳感器監(jiān)測路徑異常數(shù)量作為判斷結(jié)構(gòu)損傷狀況指標，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的及時監(jiān)測和快速診斷。

2 損傷診斷方法

復合材料結(jié)構(gòu)損傷狀況指標的大小可以作為結(jié)構(gòu)損傷大小和擴展程度的量化指標，其變化趨勢可以反映結(jié)構(gòu)損傷擴展的速度。實施基于復合材料結(jié)構(gòu)損傷狀況指標的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測與診斷方法主要有以下幾個步驟[20]：

1）針對監(jiān)測結(jié)構(gòu)對象，通過典型結(jié)構(gòu)實驗件的監(jiān)測實驗，根據(jù)實驗情況和無損檢測結(jié)果，確定損傷指數(shù)閾值；

2）對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域，通過力學分析和有限元仿真，優(yōu)化布置壓電傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡（傳感器數(shù)量最優(yōu)、傳感器位置最優(yōu)等）；

4）實施基于超聲導波的損傷監(jiān)測，實時采集信號，并計算損傷指數(shù)；

5）與實驗確定的損傷閾值基線對比，確定結(jié)構(gòu)損傷狀況指標；

6）根據(jù)損傷狀況指標值，判定監(jiān)測區(qū)域損傷狀態(tài)，包括損傷萌生和擴展。

該方法實施過程簡單，計算迅速，可以應用于大型復合材料結(jié)構(gòu)損傷的早期識別和擴展監(jiān)測，其結(jié)果可作為指導開展復合材料結(jié)構(gòu)損傷精準無損檢測的依據(jù)。

3 典型復合材料結(jié)構(gòu)損傷閾值實驗

為了確定航空典型復合材料結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)閾值，選取典型復合材料T型加筋結(jié)構(gòu)為實驗對象。實驗中對實驗件分級施加載荷，逐級施加到設(shè)計載荷，然后逐級卸載到零。在每級載荷平穩(wěn)后采集超聲導波信號，并計算損傷指數(shù)，在卸載后對實驗件進行無損檢測。

實驗件為復合材料T型加筋板結(jié)構(gòu)件，該實驗件加工工藝材料為T700/QY8911。實驗件由3個子層組成，其中，子層1鋪層形式為[-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/ -45/0/45]：子層2鋪層形式為[45/0-/45/90/45/0/90/0/-45/90/45/0/-45]：子層3鋪層形式為[45/0-/45/90/0/45/0/ -45/0/45/90/-45]s。復合材料T型加筋板結(jié)構(gòu)件及壓電監(jiān)測傳感器布置情況如圖1所示。

在圖1中，①、②、③、④表示壓電傳感器編號，壓電傳感器附近的坐標表示監(jiān)測位置，虛線表示信號路徑。復合材料T型加筋板結(jié)構(gòu)件尺寸為120×200× 50 mm。結(jié)合復合材料T加筋結(jié)構(gòu)力學分析、以往實驗結(jié)果及經(jīng)驗，該典型件結(jié)構(gòu)過渡區(qū)和三角填充區(qū)的界面之間容易產(chǎn)生脫粘損傷。因此本實驗主要監(jiān)測過渡區(qū)、三角填充區(qū)及突緣與面板的粘接區(qū)。

圖1 復合材料T型加筋實驗件示意圖

具體監(jiān)測實驗如圖2所示，實驗件通過專用夾具安裝在力學性能測試實驗機上。實驗中采用美國Acellent公司的超聲導波監(jiān)測系統(tǒng)，壓電傳感器為PZT-5A型，直徑8 mm，厚度0.45 mm。實驗中實驗機載荷施加速率參數(shù)設(shè)置為2 mm/min，實驗設(shè)計最大載荷為5 kN，實驗過程載荷施加分別5級進行，步長為1 kN。超聲導波監(jiān)測系統(tǒng)的信號激勵頻率設(shè)置為225 kHz，采樣率設(shè)置為10 MHz，每級載荷到達后采集超聲導波信號。

圖2 監(jiān)測實驗示意圖

在實驗過程中，當載荷施加到3.3 kN時，實驗件首次發(fā)出聲響，采集該信號并繼續(xù)施加載荷到5 kN，然后逐級進行卸載。卸載后對復合材料 T 型加筋實驗件進行了詳細無損檢測，檢測結(jié)果如圖3所示。

從圖3無損檢測結(jié)果可以看出，實驗件監(jiān)測區(qū)域產(chǎn)生脫粘損傷。

圖3 T型加筋板底板無損檢測結(jié)果

對實驗中采集的超聲導波信號進行分析，計算了損傷指數(shù)，損傷指數(shù)變化情況如圖4所示。

在圖4中，黑色虛線表示②、③壓電傳感器監(jiān)測路徑的損傷指數(shù)變化情況，藍色實線表示①、④壓電傳感器監(jiān)測路徑的損傷指數(shù)變化情況。從圖4可以看出，在0～3 kN載荷施加過程中，兩條路徑的損傷指數(shù)（DI）值較小，且相對穩(wěn)定，說明此時尚未產(chǎn)生損傷；當實驗載荷超過3 kN以后，DI值快速增大，在實驗載荷達到4 kN室，結(jié)構(gòu)測區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)損傷，并隨著載荷不斷增大，損傷不斷擴展。當實驗件首次發(fā)出聲響時的載荷為3.3 kN，對應DI值為0.34。因此，確定0.34為該復合材料典型結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)閾值。

圖4 損傷指數(shù)（DI）值實驗變化情況

對比損傷診斷結(jié)果與無損檢測結(jié)果，表明該方法診斷結(jié)果與無損結(jié)果一致，驗證了該方法的有效性和可行性。

4 結(jié)論

本文針對航空復合材料開展了基于超聲導波的損傷監(jiān)測方法研究，建立了一種基于超聲導波和典型相關(guān)分析的復合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測方法，并通過實驗，確定了T型加筋板結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)。

本文提出的方法簡單，計算過程迅速，采用該方法可以實現(xiàn)對大型復合材料損傷的快速監(jiān)測與診斷，具有很強的工程適用性。