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基于光纤传感网络的复合材料结构的损伤定位评估方法

2011-6-21 16:26| 发布者: wangxiaoling| 查看: 3838| 评论: 0

摘要: 单石磊1,赵志敏1,汪东华2 (1.南京航空航天大学 理学院,南京 210016;2. 江苏省标准化研究院,南京 210029) 摘 要:提出了利用埋入正交塑料光纤传感网络对飞机复合材料结果的损伤进行定位评估的一种方法。结果表明: ...

单石磊1,赵志敏1,汪东华2

(1.南京航空航天大学 理学院,南京 210016;2. 江苏省标准化研究院,南京 210029)

  :提出了利用埋入正交塑料光纤传感网络对飞机复合材料结果的损伤进行定位评估的一种方法。结果表明:利用该方法可以迅速而准确地判断出复合材料的结构是否遭到了损伤以及损伤的位置,即对复合材料结构进行损伤定位评估,实现在线实时监控。

关键词:复合材料结构;光纤传感网络;损伤定位评估

中图分类号TP18    文献标志码A    文章编号1001-4012201106-0337-03

 

复合材料技术现已成为影响飞机发展的关键技术之一。随着我国大飞机项目的全面启动,制造大飞机的材料,尤其是复合材料的研制,将是中国大飞机研制工作面临的最大挑战,如何实现对飞机复合材料结构的健康状况进行实时监控,更是急切需要解决的热点问题。

光纤智能结构是近年材料科学研究的一个新方向,智能复合材料结构的基本功能之一是判断自身结构是否受到了损伤,如果收到了损伤,还需要进一步判断损伤位置和评估损伤程度[1-7]

现有的各种无损检测方法都很难对复合材料结构损伤进行准确的探测与损伤程度的评估,更无法对使用中的复合材料结构实现在线实时检测。利用埋入复合材料内部的光纤传感网络,配合适当的解调方法,则能够较好地实现对复合材料内部状态的在线实时检测,及时发现并进一步确定材料结构内部损伤的位置和损伤程度,监视损伤区域的扩展,从而为材料结构的损伤检测、维修及自我修复提供准确的信息,避免因复合材料结构损坏而带来巨大的损失[8-10]

塑料光纤对外界的承载变化比较敏感,有较好的光强传感性能,具有和普通光纤类似的性质。光纤在承载时,光纤输出光强随着承受载荷的增加而衰减;光纤在受损时,与光纤微变形时相比其输出光强衰减程度更大;光纤交叉点对外界的承载变化更加敏感;在一定范围内,通过其输出光强的变化,可以判断出其承载的大小。因此,塑料光纤对外界的压力具有良好的感应能力,可以作为传感元件使用,即可以构成光纤传感神经网络[11-13]

为此,笔者利用塑料光纤,提出了一种基于光纤传感网络对飞机常用复合材料板进行损伤定位评估的方法。该方法的研究对于复合材料在大飞机以及其他飞行器上的广泛应用具有重要意义。

1 试样制备与试验方法

采用塑料光纤以网络交叉方式埋入飞机常用的玻璃纤维布增强环氧树脂E-51蜂窝结构复合材料板中,复合材料板的尺寸为300mm×300mm×5mm,埋入塑料光纤之间的间隔为30mm×30mm,并将埋入复合材料板中的光纤网络按照图1所示依次进行编号。

将不同质量(12345kg)的载荷依次对图1所示的1号与7号光纤交叉点(17)处和2号与5号光纤交叉点(25)处进行一系列加载试验。利用基于DSP(数字信号处理)试验平台的监控系统对各路光纤的输出光强信号进行采集、记录和处理,并利用MATLAB软件绘制曲线,得到光纤网络在存在过程中的传光特性。然后依据这些特征,利用神经网络算法对复合材料结构的承载损伤进行定位评估。

2 试验结果与讨论

2.1 光纤传感网络在存在过程中的传光特性

试验所得各路光纤的输出光强(经归一化处理)随所加载荷变化曲线如图2所示。可以看出,应用监控系统采集到的光强信号比较稳定,光强信号随外加载荷的增加波动较小。另外,由于各路光纤耦合的绝对光强值不同,所以经过归一化处理后,各路光纤的相对光强初始值不同。对图2中的各曲线进行比较分析,可得到如下结论:①承载点处光纤的输出光强随所加载荷的增加而减小;②非承载点处各路光纤的输出光强随所加载荷的增加变化不明显,但也有呈现略微减小的趋势;③加载点处,交叉两根光纤的输出光强随所加载荷的变化趋势大体相同,但是又有区别。

由于在该试验装置中,1号光纤在7号光纤之上,故与7号光纤相比1号光纤对载荷的敏感程度较大,同样的加载处,1号光纤输出光强随载荷变化曲线的斜率比7号光纤要大。同理,由于2号光纤在5号光纤之上,故与5号光纤相比2号光纤对载荷的敏感程度较大,同样的加载处,2号光纤输出光强随载荷变化曲线的斜率比5号光纤要大。同时,这也表明该监控系统的光强检测灵敏程度较高。

2.2 基于光纤传感网络的镀铬材料结构变形与损伤位置的判断

根据前面研究所得出的结论,进一步对该飞机常用复合材料板进行加载以及损伤试验,试验结果如表1所示。

分析表1中的数据可以看出,无光强时,各路光强读数均为0;无载荷时,各路光强读数(归一化后乘以100的数值)都在100左右。当复合材料板受到载荷时,只有15号两路光纤的输出光强有明显的大幅度衰减,其他各路光强依然处于100左右,说明只有15号两路光纤发生了明显的变形。由此可以得出复合材料板所受载荷的位置是在图1中的(15)处,即在1号光纤和5号光纤的交叉位置处受到载荷作用的结论。当复合材料板受到损伤时,只有36号两路光纤的输出光强有迅速的大幅度衰减,其他各路光强依然处于100左右,这表明只有36号两路光纤受到明显的损伤。因此可以判断复合材料板受损的位置是在图1中的(36)处,即在3号光纤和6号光纤的交叉位置处。

由表1还可见,复合材料板在受载时,15号光纤的输出光强分别衰减到3148,而在受损伤时,36号两路光纤的输出光强分别衰减到21.由两种情况下的光强数据对比结果,可以很明显地判断出复合材料板是否遭到了损伤。

由于光纤受载或受损时,其输出光强都会随之衰减。由此,可以通过分析埋入在复合材料板中正交网状的各路光纤的光强变化,判断是哪几路光纤发生了变形或受损,然后再借助神经网络的方法,判断出复合材料结构的变形或受损位置。

综上所述,采用埋入正交光纤传感网络的方法,可以迅速而准确的判断出复合材料板是否发生了变形或遭到了损伤,同时还可以判断出复合材料板变形或受损的位置,即可对复合材料板的健康状态做出一定的评估。与已有的超声波检测法、X射线检测法以及微波检测法等方法相比,该方法测试原理简单,更容易实现,可以处理大面积的传感信号,处理信息量大,速度快,抗干扰能力强,能够较好地实现对飞机复合材料结构的内部健康状况的实时监控。

3 结论

通过在飞机复合材料板中埋入正交塑料光纤传感网络,可以迅速而准确地判断出该复合材料结构是否遭到了损伤以及损伤位置,对复合材料板进行损伤定位评估,实现在线实时监控。

 

参考文献

[1]郭林峰,赵志敏,李伟,.一种光纤智能结构的监控系统设计[J].传感器与微系统,2008(4):118-120.

[2]李伟,赵志敏,李鹏,.一种基于激光光源的光纤智能结构实时监控软件设计[J].应用激光,2008,28(3),196-198.

[3]郭林峰,赵志敏,马成立.一种基于光纤的智能结构承载位置监测与分析研究[J].应用激光,2007,27(5):274-276.

[4]YU Xiao-lei,ZHAO Zhi-min,MA Jun-yan.Damage detection of composite material intelligent structure with anew photoelectric system[J].Journal of Wu-han University of Technology Materials Science Edition,2006,21(2):80-82.

[5]陶宝祺.智能材料结构[M].北京:国防工业出版社,1997.

[6]闷云聚,姜节胜,顾松年.智能复合材料结构的应用发展前景[J].测控技术,1996,15(4):3-4.

[7]张兴周,李绪友.光纤传感阵列[J].传感器技术,1998,17(4):55-57.

[8]王慧文,江先进.光纤传感技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2001.

[9]杨宝刚,金虎,任华友,.复合材料的射线检测技术[J].宇航材料工艺,2004,34(2):26-28.

[10]谭伟杰.基于神经网络的光纤传感技术在智能材料中的应用[J].传感器世界,2008,14(1):25-32.

[11]ZHAO Zhi-min,CHEN Yu-ming,YU Xiao-le,et al.The paramenters selection of SMA optically activated and its application[J].Journal of Wuhan University of Technology Materials Science Editiong,2002,17(4):1-4.

[12]郭林峰,赵志敏,高明娟.新型光纤智能监控系统设计[J].光电工程,2006,33(3):133-136.

[13]易鸿.基于神经网络对光纤智能结构的损伤评估[J].四川理工学院学报(自然科学版),2008,21(3):90-92.


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