基于光纖光柵傳感器的復(fù)合材料損傷探測(cè)研究

安天益, 朱啟榮, 吳 昊

(同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院, 上海 200092)

纖維加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)與使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些缺陷與損傷,工藝技術(shù)不完備或者由各種應(yīng)力造成的疲勞是復(fù)合材料出現(xiàn)損傷的主要原因[1-5]。復(fù)合材料的損傷主要存在于材料內(nèi)部,如何通過(guò)一定的監(jiān)測(cè)手段和分析方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估,判別損傷的位置和程度, 以及結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀、使用功能和變化趨勢(shì)等,是一個(gè)具有重大意義的課題[6-7]。

布拉格光纖光柵(傳感器,Fiber Bragg Grating, FBG)質(zhì)量輕、體積小,可以大量埋入復(fù)合材料構(gòu)件中,形成一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8-13]。FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的合理布置對(duì)實(shí)現(xiàn)智能復(fù)合材料在線監(jiān)測(cè)有重要意義[14-18]。

本文將利用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò),通過(guò)無(wú)損試件與有損試件的準(zhǔn)靜態(tài)彎曲對(duì)比試驗(yàn),研究同一載荷下有損試件相對(duì)于無(wú)損試件在各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化率,對(duì)復(fù)合材料中不同深度、不同直徑的漸變式凹坑損傷探測(cè)進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn),并得出了在距離損傷位置多少距離范圍內(nèi)可以測(cè)得多大的漸變式凹坑損傷這一關(guān)鍵結(jié)論,為之后用光纖光柵傳感器對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行漸變式凹坑損傷時(shí)的傳感器優(yōu)化布置提供了理論基礎(chǔ)。

1 試件制備及試驗(yàn)過(guò)程

本次研究采用波長(zhǎng)范圍為1 529～1 561 nm,間隔分別為2 nm與4 nm的光纖光柵傳感器,光纖光柵傳感段長(zhǎng)度為10 mm,最大反射率為95%,帶寬小于0.2 nm,標(biāo)準(zhǔn)量程為±5 000 με,使用溫度分為常溫與耐高溫兩種,相對(duì)應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.2 με/pm。

本文運(yùn)用預(yù)浸料干法加真空袋壓法加熱壓機(jī)成型法來(lái)制作實(shí)驗(yàn)試件,以此來(lái)降低同批次試件之間的差異性。試件的尺寸為250 mm×160 mm×7 mm,鋪層為[0/90]16s。本文中采用德國(guó)制造的鉆孔機(jī),對(duì)同一塊長(zhǎng)為250 mm,寬為160 mm,厚度為7 mm的復(fù)合材料層合板試件進(jìn)行不同直徑、不同深度的凹坑制作。從無(wú)損開(kāi)始,逐步擴(kuò)大凹坑的深度和直徑,每次對(duì)試件擴(kuò)大橫截面積為1 mm2的纖維斷裂面積,最終制成不同深度不同損傷直徑的漸變式凹坑損傷如表1所示。下一級(jí)的損傷(凹坑)正好比上一級(jí)的損傷在橫向界面上多了1 mm2的纖維斷裂面積。

表1 不同的凹坑直徑和凹坑深度

注：表中損傷編號(hào)中的數(shù)字分別表示損傷直徑和損傷深度,例如D1-2中,數(shù)字1表示損傷直徑為1 mm,數(shù)字2表示損傷深度2 mm。

選用AB膠,在試件表面(受拉面,損傷所在面的損傷附近)貼上光纖光柵傳感器。在距離損傷橫向距離為6 mm(FBG1)、18 mm(FBG2)、24 mm(FBG3)處,距離損傷縱向距離12 mm(FBG4)、18 mm(FBG5)、28 mm(FBG6)處布置傳感器。具體傳感器布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 傳感器布置圖

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)有凹坑損傷的復(fù)合材料層合板試件進(jìn)行4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。跨度為200 mm,上表面線載荷之間距離為14 mm。從0 N開(kāi)始加載,加載至1 233 N擬合出整個(gè)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的力-應(yīng)變變化曲線。根據(jù)實(shí)際工程的情況,取曲線上加載為1 096 N時(shí)的應(yīng)變值進(jìn)行對(duì)比分析。加載如圖2所示。

圖2 布有光纖光柵傳感器的試件加載圖

2 損傷檢測(cè)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

各個(gè)測(cè)點(diǎn)在總載荷1 096 N作用下的不同損傷大小時(shí)的應(yīng)變變化率見(jiàn)表2和表3。一般認(rèn)為當(dāng)應(yīng)變變化率大于10%時(shí),該損傷可被探測(cè)到。

表2 不同凹坑大小下橫向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化率

表2(續(xù))

表3 不同凹坑大小下縱向各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化率

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)可以看出：在距離損傷橫向距離6 mm和18 mm處,隨著凹坑損傷面積的增大,光纖光柵傳感器測(cè)得的應(yīng)變變化率也逐漸增大,兩者呈線性關(guān)系；在距離損傷橫向距離24 mm處,損傷面積和應(yīng)變變化率雖然呈線性關(guān)系,但是應(yīng)變變化不太明顯；在距離損傷縱向距離12 mm處,隨著凹坑損傷面積的增大,光纖光柵傳感器測(cè)得的應(yīng)變變化率也逐漸增大,兩者呈線性關(guān)系；在距離損傷縱向距離18 mm處,損傷面積和應(yīng)變變化率雖然呈線性關(guān)系,但是應(yīng)變變化不太明顯；在距離損傷橫向距離24 mm處,損傷面積和應(yīng)變變化率無(wú)明顯的線性關(guān)系。

3 數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并將數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖3為ANSYS計(jì)算結(jié)果。

圖3 ANSYS計(jì)算結(jié)果

在1 096 N載荷下,測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變分布在871～1 100 με范圍內(nèi),有限元分析出的應(yīng)變范圍為856～1 100 με范圍內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與ANSYS數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),兩者不僅在同一數(shù)量級(jí),同時(shí)也在同一范圍內(nèi)，可見(jiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

4 結(jié)論

由于測(cè)量存在誤差,一般認(rèn)為當(dāng)應(yīng)變變化率大于10%時(shí),該損傷可被探測(cè)到,故得出以下結(jié)論：

(1) 在距離損傷橫向距離6 mm以內(nèi)的傳感器,可探測(cè)到大于凹坑損傷大小達(dá)到直徑1.5 mm、深度2 mm以及更大的凹坑損傷;

(2) 在距離損傷橫向距離18 mm以內(nèi)的傳感器,可探測(cè)到大于凹坑損傷大小達(dá)到直徑2 mm、深度1 mm，直徑1.5 mm、深度5 mm，直徑1 mm、深度6 mm，以及更大的凹坑損傷；

(3) 在距離損傷橫向距離24 mm以內(nèi)的傳感器,雖然其應(yīng)變變化率與損傷大小基本保持線性變化,但應(yīng)變變化率不明顯,暫無(wú)法確認(rèn)該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化是由凹坑損傷造成的；

(4) 在距離損傷縱向距離12 mm以內(nèi)的傳感器,可探測(cè)到大于凹坑損傷大小達(dá)到直徑1.5 mm、深度5 mm，直徑1 mm、深度6 mm,以及更大的凹坑損傷；

(5) 在距離損傷縱向距離18 mm以內(nèi)的傳感器,雖然其應(yīng)變變化率與損傷大小基本保持線性變化,但應(yīng)變變化率不明顯,暫無(wú)法確認(rèn)該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化是由凹坑損傷造成的；

(6) 在距離損傷縱向距離24 mm以內(nèi)的傳感器,損傷大小的變化已與應(yīng)變變化率無(wú)線性規(guī)律；

(7) 光纖光柵傳感器根據(jù)損傷位置的不同距離范圍,能測(cè)得不同面積的凹坑損傷。

上述結(jié)論為用光纖光柵傳感器對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行凹坑損傷時(shí)的傳感器優(yōu)化布置提供了理論基礎(chǔ)。優(yōu)化布置光纖光柵傳感器的位置,對(duì)檢測(cè)效率的提高和檢測(cè)成本的降低都具有實(shí)際意義。