基于超聲導波的復合材料結構損傷監測研究

白生寶，肖迎春，黃博，田媛

（中國飛機強度研究所，西安 710065）

引言

復合材料結構由于具有比強度高、可設計性強以及結構重量和制造方面的優勢，被廣泛應用于航空航天等國防領域，成為結構減重、提高裝備運營經濟性的重要策略之一[1,2]，已成為現代航空結構材料重要的發展方向和應用趨勢。隨著國產復合材料結構的不斷發展，逐漸向主承力結構應用，復合材料在新的軍民用飛機各類型號中的用來不斷提高。復合材料結構是按照損傷容限思想來設計的，復合材料結構地面積木式試驗驗證是實現復合材料結構航空應用和保證其結構完整性的一個重要環節，試驗中損傷的及時發現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。目前，試驗中按照試驗大綱采用常規無損檢測技術對復合材料結構實施檢測[5-10]，傳統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，由于復合材料結構構型復雜、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現、定位和監控成為復合材料結構應用所面臨的重要技術挑戰，迫切需要發展針對復合材料結構的損傷在線監測與快速診斷技術。

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

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

1 復合材料結構損傷指數

基于壓電傳感器的超聲導波監測技術是通過壓電傳感器對機體結構施加主動激勵，在結構中激勵出彈性波，同時使用多個壓電傳感器感知結構中不同位置處的彈性波傳遞信號，結合信號處理和辨識技術對結構的完好狀態進行辨識和診斷。

目前在航空領域廣泛應用的復合材料結構主要以層合板結構為主，超聲導波在這類結構中激發出彈性波的通常稱為Lamb波。相對其他損傷監測方法，基于超聲導波的損傷監測方法具有對結構損傷萌生敏感、適用于無損檢測不可達/不可檢結構區域的損監測、布置傳感器監測網絡可實現結構大面積的區域監測等優點。

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，從而引起監測傳感器的信號。結構損傷監測的壓電傳感器信號變化程度與其監測路徑上損傷的嚴重程度密切相關。因此，建立適當的監測路徑傳感器信號變化損傷指數，就可以表征結構的損傷狀態。本文以典型相關分析理論為基礎，以導波監測傳感器監測路徑信號為損傷指數，用以表征監測結構區域的損傷情況。基于相關系數的損傷指數（DI）如下所示:

式中：

Corr—超聲導波在復合材料結構完好狀態下的基線信號與結構發生損傷時導波信號之間的相關系數。

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定義同一條壓電傳感器監測路徑上結構完好裝好狀態下的信號B={B1，B2，…，Bi}為基線信號，發生損傷時的信號D={D1，D2，…，Di}為損傷信號， i為采集點序號。那么，相關系數Corr為可表示為:

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

因此，本文針對大型復合材料結構損傷快速監測與診斷需求，以壓電傳感器監測路徑異常數量作為判斷結構損傷狀況指標，從而實現結構損傷的及時監測和快速診斷。

2 損傷診斷方法

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

1）針對監測結構對象，通過典型結構實驗件的監測實驗，根據實驗情況和無損檢測結果，確定損傷指數閾值；

2）對結構關鍵監測區域，通過力學分析和有限元仿真，優化布置壓電傳感器監測網絡（傳感器數量最優、傳感器位置最優等）；

4）實施基于超聲導波的損傷監測，實時采集信號，并計算損傷指數；

5）與實驗確定的損傷閾值基線對比，確定結構損傷狀況指標；

6）根據損傷狀況指標值，判定監測區域損傷狀態，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構損傷的早期識別和擴展監測，其結果可作為指導開展復合材料結構損傷精準無損檢測的依據。

3 典型復合材料結構損傷閾值實驗

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

實驗件為復合材料T型加筋板結構件，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型加筋板結構件及壓電監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測位置，虛線表示信號路徑。復合材料T型加筋板結構件尺寸為120×200× 50 mm。結合復合材料T加筋結構力學分析、以往實驗結果及經驗，該典型件結構過渡區和三角填充區的界面之間容易產生脫粘損傷。因此本實驗主要監測過渡區、三角填充區及突緣與面板的粘接區。

圖1 復合材料T型加筋實驗件示意圖

具體監測實驗如圖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公司的超聲導波監測系統，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設置為2 mm/min，實驗設計最大載荷為5 kN，實驗過程載荷施加分別5級進行，步長為1 kN。超聲導波監測系統的信號激勵頻率設置為225 kHz，采樣率設置為10 MHz，每級載荷到達后采集超聲導波信號。

圖2 監測實驗示意圖

在實驗過程中，當載荷施加到3.3 kN時，實驗件首次發出聲響，采集該信號并繼續施加載荷到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，檢測結果如圖3所示。

從圖3無損檢測結果可以看出，實驗件監測區域產生脫粘損傷。

圖3 T型加筋板底板無損檢測結果

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

在圖4中，黑色虛線表示②、③壓電傳感器監測路徑的損傷指數變化情況，藍色實線表示①、④壓電傳感器監測路徑的損傷指數變化情況。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（DI）值較小，且相對穩定，說明此時尚未產生損傷；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，結構測區域已經出現損傷，并隨著載荷不斷增大，損傷不斷擴展。當實驗件首次發出聲響時的載荷為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構的損傷指數閾值。

圖4 損傷指數（DI）值實驗變化情況

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

4 結論

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

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