基于分布式光纖傳感的防熱結構損傷識別研究

柳敏靜，夏梓旭，李建樂，武湛君，高東岳

(1.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.中山大學 航空航天學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

在隔熱層粘接結構中,脫粘和裂紋缺陷是導致結構失效的主要形式，對結構進行健康狀態監測是保證結構安全工作的重中之重[1]。近年來,應用背向瑞利散射技術的分布式光纖傳感器得到了迅速發展，其測點連續且數量多，能夠進行高分辨率的應變/溫度測量，同時具有空間尺寸小、柔性好等特點，適用于結構局部需要進行高密度測量的情況。因此，分布式光纖傳感器適用于測量高密度連續分布的情況[2]。

近年來，監測脫粘的手段越來越多，超聲導波檢測[3]、X線檢測[4]、微波檢測[5]、激光全息照相檢測和散斑錯位成像[6]等均可以用來監測脫粘情況。但以上無損檢測技術均需要結構處于離線狀態，無法做到實時監測，且監測時間較長，成本較高，面對大型結構的實時健康狀態評估工作，傳統無損檢測技術具有一定的局限性。針對大型結構防熱層損傷診斷的需求，單一男等[7]使用分布式光纖傳感器對隔熱結構的脫粘進行了承載條件下的健康狀態監測，對比了不同尺寸脫粘的應變分布情況，證明了基于分布式光纖傳感器的異常檢測技術在多層結構脫粘缺陷識別工作中的有效性；Wong等[8]將分布式光纖傳感器粘貼在碳纖維板表面，進行拉伸試驗監測應變變化，證明分布式光纖傳感器對監測結構的裂紋擴展方面有廣闊的應用前景，且能夠增強對局部損傷的檢測。

實際應用中，結構的損傷是多樣性的，因此,在同一區域內對不同損傷形式的分別定位與區分是結構損傷識別技術邁向實用的關鍵問題。本文以酚醛樹脂板加鋁合金板的多層結構試件作為研究對象，在受彎曲載荷的環境中，利用分布式光纖傳感器對含有脫粘和裂紋缺陷的多層結構進行損傷識別。利用懸臂梁加載裝置，對布設有分布式光纖傳感器且含有初始脫粘和裂紋缺陷的酚醛樹脂板和鋁合金板膠粘結構進行應變測量。利用有限元模擬得到的脫粘、裂紋區域應變規律建立損傷分類的專家系統，識別出該試件的損傷區域。最終，在損傷識別試驗中驗證了本方法的有效性。

1 測量原理

分布式光纖傳感器是基于背向瑞利散射技術的一種新型傳感器，它使用光頻域反射原理對分布式光纖傳感器的光信號進行解調。光纖的測量系統通常包含一個主動監測單元，用來與被動式測量的光纖進行連接，向光纖發射激光信號。光纖中傳播激光的某些屬性可以處理為光纖上所承受應變/溫度的函數。光纖傳感器中物理參數的變化會導致內部散射光的可測量變化，當與散射光的參考量進行對比時，可以推得測量時光纖的物理狀態。這個物理狀態特指作用在光纖上的溫度和應變的耦合作用效果。使用光頻域反射原理分析背向瑞利散射光時，將其作為光纖上與位置有關的函數。當光纖所處的外界環境的溫度或應變發生變化時，光纖局部會在空間上被壓縮或拉伸，導致局部光信號的瑞利散射發生變化[9]。

由應變ε或溫度T響應得到光譜漂移，其類似于共振波的漂移Δγ或布喇格光柵的光譜漂移Δω[10]為

(1)

式中：γ,ω分別為平均光波長和頻率；KT,Kε分別為溫度和應變標準常數；ΔT為溫度變化量。

2 懸臂梁加載時脫粘和裂紋區域的應變規律

根據材料力學應變的計算方法，板粘接結構中，在受懸臂梁彎曲載荷時，層間任意位置的ε為

(2)

式中：F為懸臂梁加載端載荷力；L為加載位置和應變位置的距離；E為材料的彈性模量；IZ為豎直方向的慣性矩。

若彎曲時平面假設成立，則無缺陷處應變呈連續、線性變化,缺陷處可認為結構的剛度驟減，導致該處的彈性模量減小，故該位置會出現應變重分布的情況。具體分布規律采用有限元模擬進行分析。

建立模擬模型如圖1所示。模型為鋁板(上)+膠層(中)+酚醛樹脂板(下)3層。為了模擬脫粘現象，模擬時將脫粘區域的膠層實體切掉，且在膠層內設置為空白區域20 mm×30 mm，以模擬脫粘情況，同時在鋁板上設置了非貫穿裂紋，裂紋和脫粘缺陷分別布設在夾層和鋁合金底板不同側，避免相互間的影響，采用六面體結構網格劃分。

圖1 有限元模型

在復合材料加持端結束部位設置固定約束，在另一自由端設置垂直于平面、大小為30 N的分布載荷。

在懸臂加載條件下，復合材料層合板長度方向的應變場如圖2所示。層間的應變場如圖3所示。從圖2、3可看出裂紋與脫粘損傷處應變場的變化，為了進一步研究光纖所測數值趨勢的變化，通過損傷區域的應變分布如圖4、5所示。

圖2 長度方向應變場

圖3 層間應變場

圖4 脫粘路徑應變分布

圖5 裂紋路徑應變分布

由圖4、5可知，在懸臂梁加載條件下，脫粘區域的應變規律表現為含有兩個突變峰的中心對稱分布，裂紋區域應變規律表現為兩側數值增大,中間數值減小的雙峰圖形。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗準備

采用酚醛樹脂板與鋁合金粘接結構作為試驗對象，布置初始脫粘和裂紋缺陷，以有限元模擬結果為參考，用來測試光纖傳感器對脫粘和裂紋損傷位置的應變響應。試驗對象模型如圖6所示。光纖布設方式采取環繞式分布(見圖7)，將光纖布設在酚醛樹脂板上。布設好光纖后需要以光纖結構為零點，對脫粘和裂紋位置進行標定。

圖6 試驗對象模型

圖7 光纖布設路徑

3.2 試驗裝置

試件置于干凈水平桌面上，光纖與設備連接后進行懸臂梁加載實驗。試驗數據采集系統采用美國Luna公司的ODiSI分布式光纖傳感系統(見圖8)，系統參數如表1所示。該系統能在試驗過程中對各工況進行應變測量。

圖8 ODiSI-A50光纖解調儀

表1 測試系統參數

3.3 試驗過程

試件的一端固定在懸臂梁固支端，另一端將光纖傳感器連接到光纖解調儀上，待試件穩定后進行懸臂梁加載試驗。實驗過程如圖9所示。

圖9 實驗過程

取未加載狀態為初始狀態作為試驗基準，加載載荷為30 N，采集加載后試件的應變數據，多次測量保證試驗準確性，取其中第3次實驗數據繪制成的應變曲線如圖10所示。

圖10 加載狀態下試件應變

圖10中共有6段線性變化，與環繞式布設3圈光纖相符。光纖路徑穿過損傷區域，參考有限元分析所得的脫粘和裂紋趨勢，在圖10中可觀測到相同的趨勢，推測該趨勢所處位置應為布設損傷的位置，與試驗前標定的損傷坐標對比如表2、3所示。

表2 脫粘節點坐標對比

表3 裂紋節點坐標對比

由表2、3可知，試驗后根據模擬趨勢確定的脫粘位置與試驗前標定的損傷位置基本一致，但試驗后位置有10 mm內的浮動，推測是脫粘和裂紋擴展導致。

4 結束語

本文針對粘接結構脫粘和裂紋的識別方法展開了研究，并利用有限元模擬分析出損傷區域應變規律，以模擬結果作為損傷分類依據。利用分布式光纖傳感器對有初試脫粘和裂紋缺陷的試件進行了懸臂梁加載試驗的應變測量，根據應變分布情況識別出脫粘和裂紋區域，且識別出的位置與標定位置一致，驗證了脫粘和裂紋區域應變規律的準確性和有效性。

綜上所述，根據結構受載狀態下的應變趨勢可以判斷試件是否發生脫粘或裂紋損傷，并對兩種損傷進行定位與分類，從而實現對結構的健康狀態監測。