復(fù)合材料損傷檢測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

原志翔， 劉禮平

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院， 天津 300300）

引言

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、材料性能可設(shè)計(jì)強(qiáng)等優(yōu)異性能，已在航空航天、船舶、汽車、醫(yī)療器械等工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是在加工制備和使用過程中不可避免地會產(chǎn)生氣泡和損傷，這些會對結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成一定的威脅。由于在使用過程中，復(fù)合材料的失效機(jī)理比較復(fù)雜，判別具體的失效機(jī)理比較困難，因此需要一種有效的損傷監(jiān)測手段，保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性[1-2]。

1 損傷類型

航空飛機(jī)所采用的復(fù)合材料在生產(chǎn)過程中形成的缺陷是導(dǎo)致復(fù)合材料“先天缺陷”的主要原因，而復(fù)合材料在應(yīng)用中也會同樣遭遇一系列的外界因素導(dǎo)致復(fù)合材料損傷。根據(jù)對飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重程度可以將所遇到的損傷分為兩類：其中第一類損傷為允許的損傷，即這類損傷發(fā)生的位置不是在結(jié)構(gòu)的承力位置，并不會對結(jié)構(gòu)的可靠性和完整性造成影響而降低材料的性能，比如試件的表面劃傷等損傷。第二類損傷即會影響到試件結(jié)構(gòu)可靠性的損傷，這類損傷的發(fā)生會直接影響到結(jié)構(gòu)的可靠性和完整性從而使得試件的性能下降[3]。

與在生產(chǎn)復(fù)合材料時所產(chǎn)生的缺陷相比，我們更需要關(guān)注的是復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用時產(chǎn)生的損傷，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用時產(chǎn)生的損傷會直接導(dǎo)致材料發(fā)生失效等破壞，從而影響材料的性能。

復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用過程中由于載荷的不同，也會有不同的損傷形式，以下介紹幾種主要的損傷類型。

1.1 基體損傷

因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料中基體的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于纖維的強(qiáng)度，基體會首先出現(xiàn)裂紋，如圖1所示。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行裂紋斷的擴(kuò)展，最終會導(dǎo)致材料內(nèi)基體無法承載，進(jìn)而引起更嚴(yán)重的損傷[4]。

圖1 基體損傷示意圖

1.2 纖維斷裂

由于纖維強(qiáng)度高，可以承載較大的載荷，所以纖維的斷裂一般是因?yàn)槔w維的承載超過本身的承載極限[5]，從而導(dǎo)致纖維的斷裂，如圖2所示。

圖2 纖維斷裂示意圖

1.3 分層損傷

碳纖維復(fù)合材料層合板內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有不同方向的鋪層，在結(jié)構(gòu)受到拉伸、彎曲等載荷的時候會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，也就是不同鋪層之間的黏合力降低[6]，從而使得不同層間發(fā)生縫隙導(dǎo)致分層，如圖3所示。

2 檢測技術(shù)

1）參數(shù)分析法：參數(shù)分析作為聲發(fā)射特征參數(shù)主要的分析方式，需要通過簡化后的的波形提取出相關(guān)信號特征參數(shù)進(jìn)行研究，也就是從AE信號方面獲取指標(biāo)參數(shù)進(jìn)而明確損壞的種類與表現(xiàn)。在設(shè)定AE參數(shù)的過程中，很多聲發(fā)射信號的特征參數(shù)用來表征所產(chǎn)生的損傷，例如AE撞擊數(shù)、振鈴次數(shù)、幅值、持續(xù)時間、上升時間、能量等。這種分析方式具備簡單高效、實(shí)時性突出等多方面優(yōu)勢，人們一般將其運(yùn)用在相關(guān)材料的穩(wěn)定性檢測以及定量分析中，并在損傷識別方面得到應(yīng)用，發(fā)揮了重大的價值[7-8]。

圖3 分層損傷示意圖

2）波形分析法：這種方式是對記錄和保存下的波形信號內(nèi)容展開頻域研究，進(jìn)而掌握聲源對應(yīng)的特征，當(dāng)下人們在復(fù)合材料損傷形式的區(qū)分研究中，所應(yīng)用到的此類方式重點(diǎn)為頻譜分析等。頻譜分析即傅里葉變換的方法，運(yùn)用傅里葉變換將復(fù)雜的波形信號轉(zhuǎn)換為簡單的頻譜圖看出此時的波形對應(yīng)的頻率信息，從而明確AE源特征[9]。這是實(shí)際使用中被廣泛運(yùn)用的一種研究方式。

3）模式識別方法：伴隨人工智能領(lǐng)域的突破以及不斷發(fā)展，相關(guān)損傷信號的識別方法越來越多地被用于區(qū)分復(fù)合材料的損傷源。具體將這種區(qū)分方式劃分成監(jiān)督識別以及非監(jiān)督識別。在后續(xù)的發(fā)展方向中，不用提前掌握信號特點(diǎn)的無監(jiān)督方式將會得到人們的充分關(guān)注。在無監(jiān)督模式識別方法中，聚類分析屬于最廣泛運(yùn)用的一種。K-means聚類算法是復(fù)合材料損傷識別聲發(fā)射檢測中大量運(yùn)用的一種識別算法。Bar等[10]通過相應(yīng)的自組織映射等算法和不同層玻璃纖維復(fù)合材料的損傷模式對AE信號進(jìn)行分類。模式識別算法使用聲發(fā)射參數(shù)作為變量進(jìn)行研究。后續(xù)在該領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展下，相關(guān)信號的采樣頻率已實(shí)現(xiàn)10 MHz。因?yàn)閺?fù)合材料的損傷原理較為復(fù)雜，所以在采到的信號中將會存在不同種類的損傷數(shù)據(jù)。多種聲發(fā)射信號保持疊加，造成后續(xù)參數(shù)重疊，從而給模式識別算法的應(yīng)用帶來一定的困難。

3 存在的問題

復(fù)合材料損傷檢測作為一種保證材料可靠性和完整性的手段，雖然可以檢測出材料在使用過程中出現(xiàn)的損傷，但是也有一些不足：聲發(fā)射信號中可以采集到聲波信號，通過聲波信號進(jìn)行實(shí)時分析找出不同參數(shù)對應(yīng)的損傷類型，但是無法通過聲發(fā)射參數(shù)來判斷未擴(kuò)展的靜態(tài)缺陷。

4 總結(jié)與展望

1）由于飛機(jī)上開始大量地使用復(fù)合材料，使得相應(yīng)的維護(hù)人員開始研究如何去維護(hù)這些復(fù)合材料在使用中出現(xiàn)的問題。這對于保持結(jié)構(gòu)的完好性和可靠性具有重大的意義。

2）隨著研發(fā)人員對各種復(fù)合材料的研發(fā)，復(fù)合材料的維修技術(shù)已經(jīng)日趨完善。在當(dāng)前航空領(lǐng)域發(fā)展趨勢迅速的前提下，我國航空業(yè)復(fù)合材料的維修技術(shù)有望取得更大的進(jìn)展。在對現(xiàn)有技術(shù)的使用上，應(yīng)不斷發(fā)展新技術(shù)，加快復(fù)合材料維修的標(biāo)準(zhǔn)，開展復(fù)合材料維修標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)框架研究，提高維修人員維修效率。