一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法，具體涉及一種基于光纖布拉格光柵（FBG)非均勻反射譜的波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法和監測系統，該方法在對波紋型復合材料機翼蒙皮有限元分析的基礎上，對蒙皮鋪層失效次序做出預測并提取對應臨界失效載荷和鋪層破壞處的應變場分布，通過FBG反射譜重構原理得到各臨界失效載荷對應的FBG反射譜.構建監測系統，監測記錄蒙皮各鋪層失效時光譜，與預測光譜趨勢相同，誤差不超過8.6%。本發明還公開了一種應用所述監測技術的監測系統。由此，通過監測FBG非均勻反射譜特征變化即可實時監測波紋型復合材料蒙皮漸進損傷。
【專利說明】一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明公開了一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法及系統，具體為一種基于FBG非均勻反射譜的波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測技術，涉及工業生產、生物、航空航天等領域。
【背景技術】
[0002]波紋型復合材料蒙皮以其良好的弦向柔性、較大的展向剛度、優秀的變形累積效應等優點，成為未來變體機翼發展的突破點。蒙皮長期作動時，在交變應力，化學腐蝕，機械震動等情況下，鋪層之間會出現脫粘破壞，波峰處會出現壓縮破壞。因此波紋型復合材料蒙皮的結構健康監測與蒙皮損傷預測對于變體機翼的發展與應用顯的尤為重要。
[0003]自從將光纖光柵作為傳感元件以來，由于光纖光柵所具有的獨特優點，它在航空結構健康監測方面逐漸得到廣泛的應用，光纖光柵傳感器既可以貼在現存結構的表面，也可以埋入結構內部對結構進行實時測量、監視結構缺陷的形成和發展。1990年FBG傳感器首次被埋入環氧樹脂復合材料中以來，FBG傳感器受到了世界范圍內的廣泛重視，各國學者積極開展有關研究。2002年，Daniel Betz等人把FBG溫度和應變傳感器安裝在A340-600客機的機身，實現對該型客機結構的載荷標定。2003年,Jung-Ryul Lee等人利用FBG傳感器實時監測風洞試驗中機翼的動態應變。2004年，日本的Toshimiehi Ogisu等人提出了一種利用新的定量評估CFRP層合板內脫層尺寸的損傷檢測系統——壓電陶瓷(PZT)驅動器/ FBG傳感器的混合型脫層損傷監測系統，實現了對新一代航天器先進復合材料結構的損傷監測。
[0004]但如上所述，這些研究成果主要是利用FBG反射譜中心波長的漂移來進行損傷識別的。然而，對于有些結構的部分區域，比如金屬修補結構的修補區域以及復合材料膠接接頭結構的接頭內部區域和新型復合材料機翼蒙皮等等，在服役過程中所受的應變是非均勻的，若再通過FBG反射譜中心波長的漂移進行損傷識別勢必會產生誤差，甚至發生錯誤。Erdogan對應變作用下FBG傳感器的反射光譜響應做了理論分析,Kara Peters通過實驗測定了非均勻應變作用下FBG傳感器的反射光譜響應。此后，Takeda利用小直徑FBG傳感器的光譜特性對復合材料修復層的脫粘損傷進行了監測，為將FBG傳感器的光譜特性應用于結構健康監測提供了理論依據和先例。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是:針對現有技術的缺陷，提供一種基于FBG非均勻反射譜的波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測技術，能夠高快速準確實時監測波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷。
[0006]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0007]—種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法，具體步驟如下:
[0008]步驟一、建立并求解波紋型復合材料機翼蒙皮試件的幾何模型，確定光纖布拉格光柵粘貼位置；
[0009]步驟二、采用逐步失效分析的方法得出波紋型復合材料機翼蒙皮各鋪層的失效次序以及各鋪層失效時所對應的臨界失效載荷；
[0010]步驟三、采用反射譜重構方法得出各鋪層失效時所對應重構的FBG反射譜；
[0011]根據重構的FBG反射譜，得出各鋪層在臨界失效光譜出現分裂時所對應的載荷，以上述載荷作為拉伸波紋型復合材料機翼蒙皮試件中光譜儀開始掃描與記錄的起點；
[0012]步驟四、對同批次同樣式的波紋型復合材料機翼蒙皮試件進行拉伸實驗，通過觀察光譜儀記錄的光譜特征變化和光譜分裂數對蒙皮漸進損傷進行監測；
[0013]其中，所述光譜特征變化包括FBG反射譜中心波長的漂移、譜寬的變寬、初始波峰左側出現初始分裂；所述光譜分裂數隨著蒙皮失效程度的加劇而增加。
[0014]本發明還公開了采用所述波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測技術的一種監測系統，包括電子萬能材料試驗機、寬帶光源、光纖耦合器、FBG傳感器、光譜儀、上位PC機，其中:
[0015]電子萬能材料試驗機用以夾持被測試件；被測試件上設置有FBG傳感器；寬帶光源產生入射光并將其傳輸至光纖耦合器；光纖耦合器將接受到的入射光傳輸至FBG傳感器；入射光經FBG傳感器后以反射光的形式通過光纖耦合器傳輸至光譜儀；光譜儀記錄拉伸過程實時光譜，并將產生的光譜信號上傳至上位PC機。
[0016]作為本發明的進一步優選方案，所述FBG傳感器設置于被測試件拉伸端的第二個波峰處。
[0017]作為本發明的進一步優選方案，所述電子萬能材料試驗機為Instix)n5566電子萬能材料試驗機，加載速度設定為0.5mm/min。
[0018]作為本發明的進一步優選方案，所述寬帶光源為Agilent83437A型寬帶光源。
[0019]作為本發明的進一步優選方案，所述光譜儀為AQ6317C光譜分析儀。
[0020]本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:本發明公開的基于FBG非均勻反射譜的波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法，通過建立蒙皮各鋪層失效載荷與沿光柵軸向各位置非均勻應變場變化的關系，進而構建蒙皮鋪層失效載荷與FBG反射譜特征與變化的關系，能將蒙皮鋪層失效的情況準確反映與FBG非均勻反射譜特征變化上；而同種批次和樣式的試件只需做一次的損傷預測即可進行整批次的損傷監測，方便、有效率。
[0021]同時，根據該方法構建的監測系統結構簡單、設備成本低廉、可反復使用，適合大規模的推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】[0022]圖1為蒙皮試件拉伸示意圖。[0023]圖2為蒙皮受力不意圖。[0024]圖3 (a)至圖3 (d)為預測的蒙皮臨界失效載荷對應光譜。[0025]圖4為實驗系統示意圖。[0026]圖5 (a)至圖5 (d)為實驗監測的蒙皮臨界失效載荷對應光譜。【具體實施方式】
[0027]本發明所公開的一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監方法，包括蒙皮有限元分析、鋪層失效預測與反射譜重構，實驗監測，在獲取并驗證預測失效光譜準確性后，同批次同樣式的蒙皮試件只需觀察光譜儀記錄的光譜特征變化和光譜分裂數即可監測蒙皮漸進損傷。
[0028]本發明的核心關鍵在于波紋型復合材料蒙皮漸進損傷監測方法中的光譜特征變化，即FBG非均勻反射譜的中心波長、譜寬，光譜形狀的變化，具體的來說是中心波長的漂移，譜寬變寬，初始波峰左側出現初始分裂，光譜分裂數隨著蒙皮失效程度的加劇而增加，且各鋪層臨界失效載荷對應的非均勻反射譜與預測結果最大誤差為8.6%。
[0029]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
[0030]一、蒙皮建模與分析
[0031]復合材料波紋型蒙皮樣件的蒙皮增強體采用E型45° /-45°與0/90°平紋無堿無蠟玻璃纖維布按比例鋪疊而成，波紋形狀為類拋物線形，基體固化劑為WSR6101環氧樹脂，低分子-650-聚酰胺樹脂，溶液稀釋劑為環氧丙烷丁基醚。蒙皮樣件采用手糊制件、模壓定型及真空干燥箱固化成型的工藝。材料制備參數見表1，其中En、E22分別為材料主軸I與2方向上的彈性模量，V12為材料泊松比。
[0032]表I纖維增強復合材料制備參數表
[0033]
【權利要求】
1.一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法，其特征在于，具體步驟如下:步驟一、建立并求解波紋型復合材料機翼蒙皮試件的幾何模型，確定光纖布拉格光柵粘貼位置；步驟二、采用逐步失效分析的方法得出波紋型復合材料機翼蒙皮各鋪層的失效次序以及各鋪層失效時所對應的臨界失效載荷；步驟三、采用反射譜重構方法得出各鋪層失效時所對應重構的FBG反射譜；根據重構的FBG反射譜，得出各鋪層在臨界失效光譜出現分裂時所對應的載荷，以上述載荷作為拉伸波紋型復合材料機翼蒙皮試件中光譜儀開始掃描與記錄的起點；步驟四、對同批次同樣式的波紋型復合材料機翼蒙皮試件進行拉伸實驗，通過觀察光譜儀記錄的光譜特征變化和光譜分裂數對蒙皮漸進損傷進行監測；其中，所述光譜特征變化包括FBG反射譜中心波長的漂移、譜寬的變寬、初始波峰左側出現初始分裂；所述光譜分裂數隨著蒙皮失效程度的加劇而增加。
2.采用如權利要求1所述一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測方法的監測系統，其特征在于:包括電子萬能材料試驗機、寬帶光源、光纖耦合器、FBG傳感器、光譜儀、上位PC機，其中:電子萬能材料試驗機用以夾持被測試件；FBG傳感器設置在被測試件上；所述寬帶光源產生入射光并將其傳輸至光纖耦合器；光纖耦合器將接受到的入射光傳輸至FBG傳感器；入射光經FBG傳感器后以反射光的形式通過光纖耦合器傳輸至光譜儀；光譜儀記錄拉伸過程實時光譜，并將產生的光譜信號上傳至上位PC機。
3.如權利要求2所述的一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測系統，其特征在于:所述FBG傳感器設置于被測試件拉伸端的第二個波峰處。
4.如權利要求2所述的一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測系統，其特征在于:所述電子萬能材料試驗機為Instron 5566電子萬能材料試驗機,加載速度設定為0.5mm/min0
5.如權利要求2所述的一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測系統，其特征在于:所述寬帶光源為Agilent 83437A型寬帶光源。
6.如權利要求2所述的一種波紋型復合材料機翼蒙皮漸進損傷監測系統，其特征在于:所述光譜儀為AQ6317C光譜分析儀。
【文檔編號】G01N21/25GK103439263SQ201310340881
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月6日 優先權日:2013年8月6日
【發明者】王幫峰, 張勇, 蘆吉云, 吳佳俊, 顧莉莉 申請人:南京航空航天大學