基于光纤光栅传感器内埋的复合材料加筋板冲击位置识别

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1、STRUCTURALHEALTHMONITORINGFORCOMPOSITES复材材料结构健康监测复合材料加筋板冲击位置识别王文娟，宋昊，吴天，薛景锋(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京10()095)【摘要】光纤光栅传感器是实现复合材料内部结构健康监测的最佳选择，可实现对复合材料冲击载荷位置的实时识别，锁定损伤区域，视情检测，提高效率，减小安全隐患。将光纤光栅传感器在复合材料层合板预浸料阶段埋入，通过热压罐固化方式成型为一体化结构，研究传感器对层合板不同位置载荷冲击的识别技术；并将12支光纤光栅传感器内埋于航空飞机典

2、型复合材料加筋板结构，通过互相关函数算法成功实现了小尺寸加筋板结构的冲击定位判别。关键词：复合材料；光纤光栅传感器；内埋；冲击位置识别DoI：10．16080匀．issnl671-833x．2016．15．103王文娟硕士．毕业于北京航空航天大学材料科学与工程专业，主要从事基于光纤光栅传感的复合材料结构健康监测技术研究。对内埋不同光纤密度对复合材料力学性能的影响、内埋光纤对复合材料微观界面的影响，以及复合材料平板、加筋板、机翼油箱综合盒段的受冲击载荷定位识别技术有深入研究。碳纤维复合材料层压板凭其独特的质轻、比强度高、设计性

3、强等优势在飞机关键部位的用量与日俱增，然而该材料在冲击载荷作用下，内部易出现分层、脱粘等损伤，表面难以察觉，易带来重大安全隐患⋯。传统周期性的损伤检查方式如超声波检查等，以人工为主，检查速率低且无针对性区域，耗时耗力且耗费巨大，无法满足新一代装备结构实时健康监测的需求。需要结合实时监测的方式对冲击位置和能量进行预先识别，根据载荷情况锁定待检区域，视情检查，提高效率，确保安全性。传统的载荷监测传感器为表贴式，所用胶粘剂在飞机所处恶劣环境中易老化，耐久性差，易受电磁干扰，布线繁琐；另一方面无法真实感知材料内部结构变化，难以真正实

4、现复合材料结构的预测与健康管理(PHM)。光纤布拉格光栅(FBG)传感器结构灵巧似“头发丝”，易内埋于复合材料结构内部形成一体化结构，可靠性高，抗电磁干扰，一根光纤可实现上百个测量点，是内埋于复合材料内部结构监测的最佳传感器12-31。美国波音公司利用FBG传感技术测试了航天飞机结构在实际飞行环境中的温度、应变、腐蚀的变化情况，并在波音777和787中均采用了FBG光纤手段进行相关参数的跟踪，效果显著141；美国将FBG传感器内埋于碳纳米管增强复合材料，监测不同载荷下的碳纳米层的应变变化【5】；空客公司提出了基于FBG传感技

5、术的整体结构健康监测项目，并将其应用于C一27J“斯巴达人”运输机的温度、微应变等空中监测研究[61；日本宇航研发机构利用FBG传感器应用于复合材料机翼结构进行健康检测并通过耐久性试验验证其可长期使用的能力，并在复合材料上安装了近250支FBG传感器监测飞机机翼盒段在飞行载荷测试中的应变场和载荷分布[7-91G瑞士联邦技术协会利用FBG传感器内埋于复合材料来2016年第15期·航空制造技术103复材材料结构健康监测STRUCTURALHEAL_THMONITORlNGFORCOMPOSITES监测内部弹性应变和纤维树脂分层损

6、伤情况Imo]。国内以高校和科研机构为代表，南京航空航天大学的袁慎芳等在复合材料机翼盒段上利用表面安装的FBG传感器实现了盒段承受载荷的有效监测”1‘他1；北京航空航天大学张博明等¨剐开展了新型的分布式光纤传感器，针对复合材料固化过程的监测；武汉理工大学和哈尔滨工业大学主要侧重开展桥梁、大坝等民用领域的健康监测。国外虽有具体型号应用的报道，但未对光纤传感器内埋复合材料的技术细节进行披露，国内研究侧重民用和实验室阶段，技术尚未成熟，对内埋工艺、应变、载荷监测的研究处于起步阶段。中航工业计量所17’6】立足航空复合材料智能监测需

7、求，已经形成包括光纤光栅传感器和解调仪生产、封装、测试服务等技术能力，并开展了大量的光纤内埋复合材料工艺和性能测试研究，保证了光纤光栅传感器的高成活性、埋植工艺一致性，信号可靠性，支撑了光纤光栅传感器内埋航空复合材料结构进行冲击载荷定位监测技术的研究。本文将光纤光栅传感器在复合材料层合板预浸料阶段埋人，通过热压罐固化方式成型为一体化结构，研究传感器对层合板不同位置载荷冲击的识别技术；并将4串(12支)光纤光栅传感器内埋于航空飞机典型复合材料加筋板结构，通过互相关函数算法成功实现了小尺寸加筋板结构的冲击定位判别。内埋FBG传感

8、器的复合材料平板冲击理论分析试件材料为碳纤维增强环氧基复合材料，制件尺寸为150ramX100ramX4ram，符合ASTMD7137M一07标准，单层预浸料厚0．125ram，共32层，铺层方式为104航空制造技术·2016年第1s期[45／0／一45／901。。。在复合材料预浸料热压罐