一種復(fù)合材料在線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料在線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)點(diǎn)，是理想的航空航 天結(jié)構(gòu)件制造材料，目前已大量應(yīng)用于航空航天飛行器，尤其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，發(fā)揮著極其 重要的作用。例如，波音787和空客A350XWB飛機(jī)中復(fù)合材料用量已經(jīng)超過(guò)50%，這其中大 部分是碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料。
[0003] 飛機(jī)在長(zhǎng)期飛行過(guò)程中，由于疲勞、腐蝕、材料老化以及高空環(huán)境變化等不利因素 的影響，不可避免地產(chǎn)生損傷積累，另外，一些突發(fā)事件，如鳥(niǎo)撞、飛石、冰雹、雷擊等也會(huì)造 成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件損傷積累和擴(kuò)展，這種損傷積累和擴(kuò)展具有隱蔽性，給飛機(jī)造成了極大 的安全隱患，甚至可能引發(fā)飛機(jī)墜毀等突發(fā)性嚴(yán)重事故，造成無(wú)法挽回的損失。
[0004] 1988年發(fā)生一起航空事故，由于飛機(jī)蒙皮與壁板連接位置多處疲勞開(kāi)裂損傷，導(dǎo) 致在24000英尺高空中，機(jī)體上半部分脫落。
[0005] 大量軍用及民用飛機(jī)在超過(guò)其設(shè)計(jì)壽命很多年的情況下仍在運(yùn)營(yíng)，飛機(jī)復(fù)合材料 的健康監(jiān)測(cè)研究對(duì)于這類飛機(jī)尤為重要，對(duì)其進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)以確保安全運(yùn)營(yíng)，在一定程度 上延長(zhǎng)了飛機(jī)的安全使用壽命。此外飛機(jī)復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)不僅能滿足乘客的安全感和舒 適感，增加飛機(jī)結(jié)構(gòu)的功能性、智能性和靈活性，而且能夠降低維修和檢測(cè)的費(fèi)用。
[0006] 常規(guī)復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)主要是一些無(wú)損探傷方案，包括射線、超聲、紅外、渦流、微 波、激光全息照相技術(shù)、目視檢測(cè)等。這些傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法的特點(diǎn)是離線、靜態(tài)、被動(dòng)的。 到目前為止，受多方面技術(shù)和傳感器條件的制約，我國(guó)尚未出現(xiàn)機(jī)載狀態(tài)下對(duì)飛機(jī)載荷進(jìn) 行長(zhǎng)期（一個(gè)大修周期以上）監(jiān)測(cè)的應(yīng)用案例。
[0007] 金屬應(yīng)變片、應(yīng)變線等雖然可以對(duì)復(fù)合材料做到一定的在線監(jiān)測(cè)，然而這些傳感 器在遭受外界雷擊、冰雹、飛石等沖擊后極易損毀，并且測(cè)量繁瑣、易受電磁干擾，壽命短。 鑒于復(fù)合材料損傷多樣化，以及應(yīng)力或環(huán)境因素產(chǎn)生損傷在積累到一定程度以后會(huì)迅速擴(kuò) 展而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，使復(fù)合材料在線監(jiān)測(cè)充滿了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)旨在發(fā)現(xiàn)缺陷的位置、 大小等，而在線對(duì)復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及在局部強(qiáng)度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，判斷復(fù)合 材料整體的安全性的研究較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種復(fù)合材料在線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)方法， 該方法解決復(fù)合材料難以長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的在線健康監(jiān)測(cè)，計(jì)算復(fù) 合材料的剩余強(qiáng)度，并對(duì)復(fù)合材料的安全性和剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)估。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0010] 一種復(fù)合材料在線健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括光纖光柵解調(diào)儀、光纖耦合器、處理器和雙 引線陣列式光纖光柵對(duì)傳感器，其中，光源發(fā)出光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖分為兩路，分別通 過(guò)一個(gè)光纖耦合器傳輸?shù)诫p引線陣列式光纖光柵對(duì)傳感器的兩端，形成兩個(gè)兼具激光入射 和反射的端口，雙引線陣列式光纖光柵對(duì)傳感器中所有的光纖光柵均預(yù)埋設(shè)于復(fù)合材料內(nèi) 部，光信號(hào)與光纖光柵相互作用后，反射光經(jīng)過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀，光纖光柵 解調(diào)儀連接處理器，處理器調(diào)用復(fù)合材料損傷數(shù)據(jù)庫(kù)，分析復(fù)合材料的損傷類型、程度及其 分布，建立三維模型，輸出復(fù)合材料的損傷分布，通過(guò)有限元分析計(jì)算復(fù)合材料剩余強(qiáng)度， 評(píng)估復(fù)合材料的健康情況。
[0011] 所述處理器包括光纖光柵信號(hào)解析模塊、復(fù)合材料損傷數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、CAD建模模 塊、CAE有限元分析模塊、復(fù)合材料健康整體評(píng)估模塊和顯示輸出模塊，其中，所述光纖光柵 信號(hào)解析模塊，用于解析光纖光柵解調(diào)儀采集的信號(hào)；所述復(fù)合材料損傷數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，用于 存儲(chǔ)復(fù)合材料損傷數(shù)據(jù)；所述CAD建模模塊，用于建立復(fù)合材料的三維模型，輸出復(fù)合材料 的損傷分布；所述CAE有限元分析模塊，用于計(jì)算復(fù)合材料剩余強(qiáng)度；所述復(fù)合材料健康整 體評(píng)估模塊，用于根據(jù)復(fù)合材料的損傷分布和剩余強(qiáng)度，評(píng)估復(fù)合材料的健康情況；所述顯 示輸出模塊，用于顯示復(fù)合材料的三維模型和健康情況。
[0012] 所述雙引線陣列式光纖光柵對(duì)傳感器中的每個(gè)光纖光柵對(duì)都包括兩條雙引線陣 列式光纖光柵：一條溫度光纖光柵和一條應(yīng)變光纖光柵，溫度光纖光柵用來(lái)測(cè)量溫度，應(yīng)變 光纖光柵用來(lái)測(cè)量應(yīng)變；溫度光纖光柵和雙引線陣列式應(yīng)變光纖光柵平行、相鄰排列，雙引 線陣列式溫度光纖光柵中的每個(gè)溫度光柵單元與雙引線陣列式應(yīng)變光纖光柵的每個(gè)應(yīng)變 光柵單元一一對(duì)應(yīng)，從而使溫度光纖和相鄰的應(yīng)變光纖組成了一個(gè)雙引線陣列式光纖光柵 對(duì)。
[0013] 所述光源內(nèi)置于光纖光柵解調(diào)儀內(nèi)，產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻激光，激光信號(hào)通過(guò)引線進(jìn)入 光纖光柵，形成穩(wěn)定的反射信號(hào)。
[0014] 所述雙引線陣列式光纖光柵對(duì)傳感器為雙引線結(jié)構(gòu)，每條光纖光柵都有兩條引線 相連，每個(gè)光柵單元都有兩條光路。在使用過(guò)程中若光纖意外斷裂，只要光柵還有一條引線 與外部檢測(cè)系統(tǒng)連接，就可以保持光纖通路，保證光纖光柵的存活和檢測(cè)信號(hào)的傳遞，提高 了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是進(jìn)行長(zhǎng)期在線健康監(jiān)測(cè)的保證。
[0015] 所述雙引線陣列式光纖光柵對(duì)，優(yōu)選包層直徑35-45微米甚至更細(xì)徑的光纖制作 陣列式光纖光柵，更細(xì)直徑的光柵可以更大程度地減少光纖包埋對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度和剛度的 影響。
[0016] 所述雙引線陣列式溫度光纖、雙引線陣列式應(yīng)變光纖都包括多個(gè)刻有不同中心波 長(zhǎng)的光柵單元，優(yōu)選為6-16個(gè)光柵單元，每個(gè)光柵單元均是一個(gè)獨(dú)立的傳感器單元，多條 刻制了多個(gè)光柵的光纖可構(gòu)成光纖光柵陣列。
[0017] 所述雙引線陣列式光纖光柵監(jiān)測(cè)復(fù)合材料服役過(guò)程的應(yīng)變和溫度變化，對(duì)疲勞、 裂紋、應(yīng)力集中、雷擊、鳥(niǎo)撞、冰雹、飛石等損傷模式都能有效監(jiān)測(cè)。
[0018] 所述光纖耦合器為光纖光柵信號(hào)耦合器，具有優(yōu)良的波長(zhǎng)選擇能力和多端口的特 性，是結(jié)構(gòu)緊湊、損耗小、偏振無(wú)關(guān)的光纖耦合器。
[0019] 所述光纖光柵解調(diào)儀為高速光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀，具有高速且多通道并行的解調(diào) 方案，實(shí)現(xiàn)信號(hào)快速解調(diào)，滿足健康監(jiān)測(cè)需要，可以快速解調(diào)復(fù)合材料在疲勞、腐蝕、鳥(niǎo)撞、 雷擊、熱震等多種條件下的光柵信號(hào)。
[0020] 所述激光光源、光纖耦合器、光纖光柵傳感器均通過(guò)光纖連接，光纖光柵解調(diào)儀和 光纖耦合器通過(guò)光纖連接，傳輸信號(hào)為光信號(hào)，光纖光柵解調(diào)儀和處理器通過(guò)數(shù)據(jù)線連接， 傳輸信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。
[0021] 一種復(fù)合材料在線健康監(jiān)測(cè)的方法，包括以下步驟：
[0022] (1)選擇光纖刻制光柵，每條光纖刻制多個(gè)光柵單元，并對(duì)每個(gè)光柵單元編號(hào)，弓丨 線分別從傳感器兩端引出，形成雙引線光纖光柵串，并對(duì)光柵的溫度系數(shù)標(biāo)定；
[0023] (2)選擇兩條光纖光柵組建光纖光柵對(duì)，一條光纖光柵用于測(cè)量溫度，標(biāo)記為T(mén)， 另一條光纖光柵測(cè)量應(yīng)變，標(biāo)記為S，標(biāo)記T的光柵均外套套管，管口膠封；
[0024] (3)在復(fù)合材料固化成型前，在復(fù)合材料中根據(jù)需要按照一定的間距鋪設(shè)m組光 纖光柵對(duì)，并給光纖對(duì)編號(hào)，構(gòu)成雙引線陣列式光纖光柵對(duì)傳感器；
[0025] (4)復(fù)合材料固化成型后，把每條光纖光柵傳感器的兩端引線分別連接光纖耦合 器的對(duì)應(yīng)端口，光纖耦合器通過(guò)光纖接入光纖光柵解調(diào)儀，光纖光柵解調(diào)儀通過(guò)數(shù)據(jù)線連 接處理器，處理器解析光纖光柵解調(diào)儀采集的信號(hào)，求解復(fù)合材料溫度、應(yīng)變和應(yīng)力；
[0026] (5)建立復(fù)合材料的三維模型，輸出復(fù)合材料的損傷分布，利用有限元分析計(jì)算復(fù) 合材料剩余強(qiáng)度，判斷復(fù)合材料是否出現(xiàn)損傷，如若出現(xiàn)損傷，判斷損傷位置及損傷類型， 輸出損傷，計(jì)算復(fù)合材料剩余強(qiáng)度，進(jìn)而評(píng)價(jià)復(fù)合材料健康程度。
[0027] 所述步驟（1)中，雙引線光纖光柵傳感器采用細(xì)直徑光纖，引線分別從光纖光柵 兩端引出，光纖刻有多個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光柵單元，光柵單元的中心波長(zhǎng)從一側(cè)到另一側(cè) 逐漸增加，光柵單元通常按照等長(zhǎng)度、等間距來(lái)刻制。
[0028] 所述步驟（2)中，光纖光柵對(duì)是由一條溫度測(cè)量光柵T和一條應(yīng)變測(cè)量光柵S組 成的，兩條光纖光柵平行，保證溫度光纖的光柵單元T kl和應(yīng)變光纖的光柵單元S kl位置對(duì) 應(yīng)。
[0029] 所述步驟（3)中，光纖對(duì)的鋪設(shè)方向與緊鄰的復(fù)合材料纖維鋪層角度保持相同， 組成雙矩陣光纖光柵傳感器，溫度光柵構(gòu)成溫度矩陣T[mXn]，應(yīng)變光柵構(gòu)成應(yīng)變矩陣 S[mXn] 〇
[0030] 所述步驟（4)中求解復(fù)合材料溫度的過(guò)程為：
[0031] 在一組光纖光柵對(duì)中，對(duì)溫度光柵和應(yīng)變光柵標(biāo)定，設(shè)標(biāo)定后溫度光柵和應(yīng)變光 柵的中心波長(zhǎng)和溫度擬合關(guān)系如下：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，λ BT1為溫度光柵在溫度標(biāo)定情況下的中心波長(zhǎng)；λ BT2