一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅（FBG)非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法和监测系统，该方法在对波纹型复合材料机翼蒙皮有限元分析的基础上，对蒙皮铺层失效次序做出预测并提取对应临界失效载荷和铺层破坏处的应变场分布，通过FBG反射谱重构原理得到各临界失效载荷对应的FBG反射谱.构建监测系统，监测记录蒙皮各铺层失效时光谱，与预测光谱趋势相同，误差不超过8.6%。本发明还公开了一种应用所述监测技术的监测系统。由此，通过监测FBG非均匀反射谱特征变化即可实时监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤。
【专利说明】一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法及系统，具体为一种基于FBG非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测技术，涉及工业生产、生物、航空航天等领域。
【背景技术】
[0002]波纹型复合材料蒙皮以其良好的弦向柔性、较大的展向刚度、优秀的变形累积效应等优点，成为未来变体机翼发展的突破点。蒙皮长期作动时，在交变应力，化学腐蚀，机械震动等情况下，铺层之间会出现脱粘破坏，波峰处会出现压缩破坏。因此波纹型复合材料蒙皮的结构健康监测与蒙皮损伤预测对于变体机翼的发展与应用显的尤为重要。
[0003]自从将光纤光栅作为传感元件以来，由于光纤光栅所具有的独特优点，它在航空结构健康监测方面逐渐得到广泛的应用，光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以埋入结构内部对结构进行实时测量、监视结构缺陷的形成和发展。1990年FBG传感器首次被埋入环氧树脂复合材料中以来，FBG传感器受到了世界范围内的广泛重视，各国学者积极开展有关研究。2002年，Daniel Betz等人把FBG温度和应变传感器安装在A340-600客机的机身，实现对该型客机结构的载荷标定。2003年,Jung-Ryul Lee等人利用FBG传感器实时监测风洞试验中机翼的动态应变。2004年，日本的Toshimiehi Ogisu等人提出了一种利用新的定量评估CFRP层合板内脱层尺寸的损伤检测系统——压电陶瓷(PZT)驱动器/ FBG传感器的混合型脱层损伤监测系统，实现了对新一代航天器先进复合材料结构的损伤监测。
[0004]但如上所述，这些研究成果主要是利用FBG反射谱中心波长的漂移来进行损伤识别的。然而，对于有些结构的部分区域，比如金属修补结构的修补区域以及复合材料胶接接头结构的接头内部区域和新型复合材料机翼蒙皮等等，在服役过程中所受的应变是非均匀的，若再通过FBG反射谱中心波长的漂移进行损伤识别势必会产生误差，甚至发生错误。Erdogan对应变作用下FBG传感器的反射光谱响应做了理论分析,Kara Peters通过实验测定了非均匀应变作用下FBG传感器的反射光谱响应。此后，Takeda利用小直径FBG传感器的光谱特性对复合材料修复层的脱粘损伤进行了监测，为将FBG传感器的光谱特性应用于结构健康监测提供了理论依据和先例。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术的缺陷，提供一种基于FBG非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测技术，能够高快速准确实时监测波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤。
[0006]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0007]—种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，具体步骤如下:
[0008]步骤一、建立并求解波纹型复合材料机翼蒙皮试件的几何模型，确定光纤布拉格光栅粘贴位置；
[0009]步骤二、采用逐步失效分析的方法得出波纹型复合材料机翼蒙皮各铺层的失效次序以及各铺层失效时所对应的临界失效载荷；
[0010]步骤三、采用反射谱重构方法得出各铺层失效时所对应重构的FBG反射谱；
[0011]根据重构的FBG反射谱，得出各铺层在临界失效光谱出现分裂时所对应的载荷，以上述载荷作为拉伸波纹型复合材料机翼蒙皮试件中光谱仪开始扫描与记录的起点；
[0012]步骤四、对同批次同样式的波纹型复合材料机翼蒙皮试件进行拉伸实验，通过观察光谱仪记录的光谱特征变化和光谱分裂数对蒙皮渐进损伤进行监测；
[0013]其中，所述光谱特征变化包括FBG反射谱中心波长的漂移、谱宽的变宽、初始波峰左侧出现初始分裂；所述光谱分裂数随着蒙皮失效程度的加剧而增加。
[0014]本发明还公开了采用所述波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测技术的一种监测系统，包括电子万能材料试验机、宽带光源、光纤耦合器、FBG传感器、光谱仪、上位PC机，其中:
[0015]电子万能材料试验机用以夹持被测试件；被测试件上设置有FBG传感器；宽带光源产生入射光并将其传输至光纤耦合器；光纤耦合器将接受到的入射光传输至FBG传感器；入射光经FBG传感器后以反射光的形式通过光纤耦合器传输至光谱仪；光谱仪记录拉伸过程实时光谱，并将产生的光谱信号上传至上位PC机。
[0016]作为本发明的进一步优选方案，所述FBG传感器设置于被测试件拉伸端的第二个波峰处。
[0017]作为本发明的进一步优选方案，所述电子万能材料试验机为Instix)n5566电子万能材料试验机，加载速度设定为0.5mm/min。
[0018]作为本发明的进一步优选方案，所述宽带光源为Agilent83437A型宽带光源。
[0019]作为本发明的进一步优选方案，所述光谱仪为AQ6317C光谱分析仪。
[0020]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:本发明公开的基于FBG非均匀反射谱的波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，通过建立蒙皮各铺层失效载荷与沿光栅轴向各位置非均匀应变场变化的关系，进而构建蒙皮铺层失效载荷与FBG反射谱特征与变化的关系，能将蒙皮铺层失效的情况准确反映与FBG非均匀反射谱特征变化上；而同种批次和样式的试件只需做一次的损伤预测即可进行整批次的损伤监测，方便、有效率。
[0021]同时，根据该方法构建的监测系统结构简单、设备成本低廉、可反复使用，适合大规模的推广应用。
【专利附图】
【附图说明】[0022]图1为蒙皮试件拉伸示意图。[0023]图2为蒙皮受力不意图。[0024]图3 (a)至图3 (d)为预测的蒙皮临界失效载荷对应光谱。[0025]图4为实验系统示意图。[0026]图5 (a)至图5 (d)为实验监测的蒙皮临界失效载荷对应光谱。【具体实施方式】
[0027]本发明所公开的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监方法，包括蒙皮有限元分析、铺层失效预测与反射谱重构，实验监测，在获取并验证预测失效光谱准确性后，同批次同样式的蒙皮试件只需观察光谱仪记录的光谱特征变化和光谱分裂数即可监测蒙皮渐进损伤。
[0028]本发明的核心关键在于波纹型复合材料蒙皮渐进损伤监测方法中的光谱特征变化，即FBG非均匀反射谱的中心波长、谱宽，光谱形状的变化，具体的来说是中心波长的漂移，谱宽变宽，初始波峰左侧出现初始分裂，光谱分裂数随着蒙皮失效程度的加剧而增加，且各铺层临界失效载荷对应的非均匀反射谱与预测结果最大误差为8.6%。
[0029]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0030]一、蒙皮建模与分析
[0031]复合材料波纹型蒙皮样件的蒙皮增强体采用E型45° /-45°与0/90°平纹无碱无蜡玻璃纤维布按比例铺叠而成，波纹形状为类抛物线形，基体固化剂为WSR6101环氧树脂，低分子-650-聚酰胺树脂，溶液稀释剂为环氧丙烷丁基醚。蒙皮样件采用手糊制件、模压定型及真空干燥箱固化成型的工艺。材料制备参数见表1，其中En、E22分别为材料主轴I与2方向上的弹性模量，V12为材料泊松比。
[0032]表I纤维增强复合材料制备参数表
[0033]
【权利要求】
1.一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法，其特征在于，具体步骤如下:步骤一、建立并求解波纹型复合材料机翼蒙皮试件的几何模型，确定光纤布拉格光栅粘贴位置；步骤二、采用逐步失效分析的方法得出波纹型复合材料机翼蒙皮各铺层的失效次序以及各铺层失效时所对应的临界失效载荷；步骤三、采用反射谱重构方法得出各铺层失效时所对应重构的FBG反射谱；根据重构的FBG反射谱，得出各铺层在临界失效光谱出现分裂时所对应的载荷，以上述载荷作为拉伸波纹型复合材料机翼蒙皮试件中光谱仪开始扫描与记录的起点；步骤四、对同批次同样式的波纹型复合材料机翼蒙皮试件进行拉伸实验，通过观察光谱仪记录的光谱特征变化和光谱分裂数对蒙皮渐进损伤进行监测；其中，所述光谱特征变化包括FBG反射谱中心波长的漂移、谱宽的变宽、初始波峰左侧出现初始分裂；所述光谱分裂数随着蒙皮失效程度的加剧而增加。
2.采用如权利要求1所述一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测方法的监测系统，其特征在于:包括电子万能材料试验机、宽带光源、光纤耦合器、FBG传感器、光谱仪、上位PC机，其中:电子万能材料试验机用以夹持被测试件；FBG传感器设置在被测试件上；所述宽带光源产生入射光并将其传输至光纤耦合器；光纤耦合器将接受到的入射光传输至FBG传感器；入射光经FBG传感器后以反射光的形式通过光纤耦合器传输至光谱仪；光谱仪记录拉伸过程实时光谱，并将产生的光谱信号上传至上位PC机。
3.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于:所述FBG传感器设置于被测试件拉伸端的第二个波峰处。
4.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于:所述电子万能材料试验机为Instron 5566电子万能材料试验机,加载速度设定为0.5mm/min0
5.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于:所述宽带光源为Agilent 83437A型宽带光源。
6.如权利要求2所述的一种波纹型复合材料机翼蒙皮渐进损伤监测系统，其特征在于:所述光谱仪为AQ6317C光谱分析仪。
【文档编号】G01N21/25GK103439263SQ201310340881
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月6日 优先权日:2013年8月6日
【发明者】王帮峰, 张勇, 芦吉云, 吴佳俊, 顾莉莉 申请人:南京航空航天大学