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

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. 沈陽坦擇實業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110041）

碳纖維增強鋁合金層合板（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)計性等技術(shù)優(yōu)勢在工業(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)計和制造的過程中往往會受到復(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因而產(chǎn)生一些缺陷在其制造、工作的過程中也會有可能因受到加工、腐蝕或長期受載等各種自然原因影響而導(dǎo)致的損傷[2，3]。因此在對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性在服役的過程中定期進行實時的健康風(fēng)險監(jiān)測對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疲勞電阻損傷的位置試樣進行檢測和識別的疲勞電阻損傷試樣檢測的方法，通過進行試驗性的疲勞檢測，采用多種方法進行實驗對損傷位置和損傷的大小進行疲勞損傷的檢測,并對準(zhǔn)確性和實驗結(jié)果的可靠性進行了分析，指出損傷的位置和損傷大小對疲勞電阻的直接影響。

1 飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型

復(fù)合材料被廣泛運用在航空航天中，由于這種材料的失效機理復(fù)雜需要先進的技術(shù)來評估結(jié)構(gòu)完整性。大多傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)，如超聲C 掃描、渦流等技術(shù)都不是實時監(jiān)測，而是需要將目標(biāo)停用[7-9]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）尋求以連續(xù)實施無損檢測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)測結(jié)果及分析

本文主要建立一個模型，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，監(jiān)測如圖1 所示結(jié)構(gòu)的電勢變化，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CARAL 結(jié)構(gòu)健康檢測結(jié)果的影響

隨損傷位置變化，CARAL 結(jié)構(gòu)的電勢及電勢差變化結(jié)果如表1 所示。含有損傷的CARAL 結(jié)構(gòu)的兩點即兩端的電勢差均比無損傷結(jié)構(gòu)的電勢差大。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，通過測試電勢差的方式進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可以監(jiān)測出有無損傷的存在，但是對于損傷位置的變化不敏感。

表1 CARAL 結(jié)構(gòu)電勢隨損傷位置變化結(jié)果

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

存在于結(jié)構(gòu)中的損傷的大小對結(jié)構(gòu)電勢的影響結(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)的電勢大于無損傷結(jié)構(gòu)。即如上一小節(jié)所述的，對于有無損傷有敏感性。孔的直徑即損傷程度的變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的電勢差發(fā)生明顯變化。變化規(guī)律為，CARAL 結(jié)構(gòu)的電勢差隨損傷程度變大而變大。這表明借助材料本身導(dǎo)電性能可以對損傷的大小情況進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

表2 CARAL 結(jié)構(gòu)電勢隨損傷大小變化結(jié)果

3 結(jié)束語

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