基于有限元法的飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

賀 軍，叢芳林，楊飛遠(yuǎn)，曹 猛

（1. 沈陽航空航天大學(xué)，航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2. 沈陽航空航天大學(xué)，民用航空學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；3. 沈陽坦擇實(shí)業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110041）

碳纖維增強(qiáng)鋁合金層合板（CARAL）是一種由碳纖維和鋁合金交替鋪疊而成的航空用復(fù)合材料[1]。碳纖維金屬復(fù)合材料憑借優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及其可設(shè)計(jì)性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)在工業(yè)領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用，然而這種復(fù)合材料在其生產(chǎn)設(shè)計(jì)和制造的過程中往往會(huì)受到復(fù)雜的生產(chǎn)工藝及其它的環(huán)境因素等的影響往往也會(huì)因而產(chǎn)生一些缺陷在其制造、工作的過程中也會(huì)有可能因受到加工、腐蝕或長(zhǎng)期受載等各種自然原因影響而導(dǎo)致的損傷[2，3]。因此在對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性在服役的過程中定期進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)于有效地保證其的安全性和其整體的性能來說十分必要，也同樣能有效地防止因復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性疲勞損傷引起的事故發(fā)生[4-6]。本文主要提出一種對(duì)疲勞電阻損傷的位置試樣進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別的疲勞電阻損傷試樣檢測(cè)的方法，通過進(jìn)行試驗(yàn)性的疲勞檢測(cè)，采用多種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)損傷位置和損傷的大小進(jìn)行疲勞損傷的檢測(cè),并對(duì)準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性進(jìn)行了分析，指出損傷的位置和損傷大小對(duì)疲勞電阻的直接影響。

1 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)模型

復(fù)合材料被廣泛運(yùn)用在航空航天中，由于這種材料的失效機(jī)理復(fù)雜需要先進(jìn)的技術(shù)來評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性。大多傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)，如超聲C 掃描、渦流等技術(shù)都不是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而是需要將目標(biāo)停用[7-9]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）尋求以連續(xù)實(shí)施無損檢測(cè)的方式將傳感器集成到結(jié)構(gòu)中。目前 SHM 技術(shù)中除了使用應(yīng)變電阻片和光纖傳感器等常見傳感器外,開始越來越多地使用壓電傳感器[10-11]。本文借助碳纖維和鋁合金的導(dǎo)電性能，建立模型如圖1 所示。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

本文主要建立一個(gè)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上通過打孔的方式模擬損傷。并且在通過改變孔的位置及大小的同時(shí)，監(jiān)測(cè)如圖1 所示結(jié)構(gòu)的電勢(shì)變化，以此來判斷整體結(jié)構(gòu)是否損傷及損傷的情況。孔1，孔2，孔3 逐漸向工件中心靠近，也就是損傷位置越來越深；孔3，孔4，孔5 直徑逐漸越來越大，也就是在中心位置的損傷大小越來越大。

2.1 損傷位置對(duì)CARAL 結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)結(jié)果的影響

隨損傷位置變化，CARAL 結(jié)構(gòu)的電勢(shì)及電勢(shì)差變化結(jié)果如表1 所示。含有損傷的CARAL 結(jié)構(gòu)的兩點(diǎn)即兩端的電勢(shì)差均比無損傷結(jié)構(gòu)的電勢(shì)差大。但是隨著損傷孔的變化，即損傷逐漸向工件中心靠近，電勢(shì)差無明顯變化。這就表明借助結(jié)構(gòu)本身的導(dǎo)電性，通過測(cè)試電勢(shì)差的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)可以監(jiān)測(cè)出有無損傷的存在，但是對(duì)于損傷位置的變化不敏感。

表1 CARAL 結(jié)構(gòu)電勢(shì)隨損傷位置變化結(jié)果

2.2 損傷大小對(duì)CARAL 結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)結(jié)果的影響

存在于結(jié)構(gòu)中的損傷的大小對(duì)結(jié)構(gòu)電勢(shì)的影響結(jié)果如圖2所示。可以看出，在中心位置含有損傷的情況下，結(jié)構(gòu)的電勢(shì)大于無損傷結(jié)構(gòu)。即如上一小節(jié)所述的，對(duì)于有無損傷有敏感性。孔的直徑即損傷程度的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的電勢(shì)差發(fā)生明顯變化。變化規(guī)律為，CARAL 結(jié)構(gòu)的電勢(shì)差隨損傷程度變大而變大。這表明借助材料本身導(dǎo)電性能可以對(duì)損傷的大小情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

表2 CARAL 結(jié)構(gòu)電勢(shì)隨損傷大小變化結(jié)果

3 結(jié)束語

本文首先對(duì)CARAL 結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并通過打孔的方式模擬損傷，然后利用材料的導(dǎo)電性，通過整體電勢(shì)的變化來進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，含有孔的結(jié)構(gòu)的電勢(shì)差相對(duì)于無損傷結(jié)構(gòu)的電勢(shì)差明顯增大；孔位置的變化不會(huì)引起結(jié)構(gòu)電勢(shì)差發(fā)生明顯變化；但是孔大小的變化對(duì)對(duì)電勢(shì)差造成顯著影響。也就是說，借助材料導(dǎo)電性通過電勢(shì)差變化的方法進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)可以監(jiān)測(cè)有無損傷和損傷的嚴(yán)重程度，但是無法監(jiān)測(cè)損傷的位置發(fā)生在何處。