一種復(fù)合材料沖擊損傷在線檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料沖擊損傷在線檢測(cè)裝置和檢測(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)，是航空航天理想 結(jié)構(gòu)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] 在復(fù)合材料層合板的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性威脅最大的是外力沖擊產(chǎn)生的 損傷，尤其是面外橫向沖擊，復(fù)合材料的層間區(qū)域力學(xué)性能相對(duì)較弱，對(duì)外力的抵抗能力偏 低，極易導(dǎo)致分層損傷，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度，使復(fù)合材料在減重方面的優(yōu)勢(shì)得 不到體現(xiàn)。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，復(fù)合材料分層損傷大約占其各種損傷破壞的60%。復(fù)合材料遭 受沖擊后，會(huì)產(chǎn)生三種損傷情況：輕微不可視損傷、可視損傷和嚴(yán)重?fù)p傷。沖擊或靜壓造成 的輕微損傷產(chǎn)生于復(fù)合材料內(nèi)部，很難目視檢測(cè)，容易引發(fā)裂紋擴(kuò)展和損傷積累，引起分層 損傷，這對(duì)復(fù)合材料安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，尤其在航空航天設(shè)備中。
[0004] 飛機(jī)結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料，在飛行過程中，飛石 沖擊、飛鳥撞擊、冰雹襲擊等沖擊過程都會(huì)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)生一定的損傷，尤其那些輕微損 傷，材料表面雖然完整無損，但是在結(jié)構(gòu)件內(nèi)部裂紋開始擴(kuò)展，損傷已經(jīng)積累，給飛行留下 嚴(yán)重安全隱患。另一方面，在服役過程中由于材料老化、疲勞、靜壓、機(jī)械振動(dòng)等原因也會(huì)引 發(fā)飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，進(jìn)而損傷積累，導(dǎo)致安全事故。如何在線監(jiān)測(cè) 飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件遭受沖擊、疲勞、靜壓、振動(dòng)等過程及其導(dǎo)致的損傷程度，以決定是否 立即返航維修，這對(duì)飛機(jī)安全性和運(yùn)營(yíng)成本來說意義重大，備受航空部門關(guān)注。在線檢測(cè)復(fù) 合材料沖擊損傷位置、損傷面積、損傷深度，以及評(píng)估復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件遭受沖擊損傷后的剩 余強(qiáng)度，對(duì)飛機(jī)飛行安全具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。
[0005] 復(fù)合材料損傷破壞多是從內(nèi)部微小損傷發(fā)展而來的，復(fù)合材料的在線損傷檢測(cè)比 較困難，對(duì)檢測(cè)傳感器有著特殊的要求：首先傳感器可以檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部損傷；其次傳 感器對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度和剛度幾乎不產(chǎn)生影響；最后要求傳感器能夠抵御惡劣的環(huán)境 變化，保證長(zhǎng)期工作并且不易被損壞?，F(xiàn)有復(fù)合材料損傷檢測(cè)多是基于采用超聲、射線、紅 外線等信號(hào)的離線被動(dòng)檢測(cè)，不是主動(dòng)的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。采用應(yīng)變片可以進(jìn)行在線檢測(cè)，但 是應(yīng)變片只能檢測(cè)復(fù)合材料表面損傷，無法檢測(cè)內(nèi)部微裂紋；金屬應(yīng)變片及其導(dǎo)線附載于 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件表面，若數(shù)量多，則質(zhì)量較大，并且成本較高。而且，傳統(tǒng)的傳感器（應(yīng)變 片、鋼弦計(jì)）壽命短，測(cè)試容易受環(huán)境條件影響，不便于分布測(cè)量，并且長(zhǎng)期測(cè)量容易失真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種復(fù)合材料沖擊損傷在線檢測(cè)裝置和檢測(cè)方 法，本裝置利用雙引線陣列式光纖光柵為傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件遭受沖擊過程 的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，有效的解決了沖擊過程短暫難以捕捉、沖擊損毀傳感器、電磁場(chǎng)干擾等使復(fù)合 材料沖擊損傷難以在線檢測(cè)的問題。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種復(fù)合材料沖擊損傷在線檢測(cè)裝置，包括雙引線陣列式光纖光柵、兩個(gè)光纖耦 合器、光纖光柵解調(diào)儀和處理器，其中：光源產(chǎn)生激光信號(hào)，激光信號(hào)經(jīng)過傳導(dǎo)光纖分為兩 路傳輸給第一光纖耦合器和第二光纖耦合器，第一光纖耦合器連接雙引線陣列式光纖光柵 的一端引線，另一端引線連接第二光纖耦合器，形成兩個(gè)兼具激光入射和反射的端口；雙引 線陣列式光纖光柵的所有光纖光柵均預(yù)埋設(shè)于復(fù)合材料內(nèi)部，激光信號(hào)與光纖光柵相互作 用后，反射激光分別通過兩端引線再次進(jìn)入第一、第二光纖耦合器，第一、第二光纖耦合器 輸出的光信號(hào)進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀，完成信號(hào)解調(diào)，光纖光柵解調(diào)儀連接處理器，處理器根 據(jù)信號(hào)分析復(fù)合材料形成的損傷類型、損傷程度及分布情況。
[0009] 所述光源為內(nèi)置于光纖光柵解調(diào)儀的激光器，激光器產(chǎn)生連續(xù)調(diào)頻激光，通過引 線進(jìn)入Bragg光柵，形成穩(wěn)定的反射信號(hào)。
[0010] 所述雙引線陣列式光纖光柵，優(yōu)選包層直徑小于45微米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。
[0011] 所述雙引線陣列式光纖光柵的每條光纖上刻制1-20個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光柵單 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 柵傳感器陣列。
[0012] 所述雙引線陣列式光纖光柵為雙引線結(jié)構(gòu)，即每個(gè)光柵都有兩條引線相連，每個(gè) 光柵都有兩條光路，即使在復(fù)合材料遭遇沖擊過程中光纖損毀斷裂，只要光柵還有一條引 線與外部檢測(cè)系統(tǒng)連接，就可以保持光柵通路，保證光纖光柵的存活和檢測(cè)信號(hào)的傳遞。雙 引線光柵的另一個(gè)好處是，不同引線上的檢測(cè)信號(hào)可以相互校驗(yàn)，保證檢測(cè)效果的有效性。
[0013] 所述雙引線陣列式光纖光柵能檢測(cè)復(fù)合材料遭受沖擊過程的應(yīng)變和應(yīng)力變化。通 過光柵的中心波長(zhǎng)變化，換算出復(fù)合材料的應(yīng)變，通過應(yīng)變和復(fù)合材料模量參數(shù)得到復(fù)合 材料的應(yīng)力變化。
[0014] 所述第一光纖耦合器和第二光纖耦合器為光纖光柵的激光信號(hào)耦合器，具有優(yōu)良 的波長(zhǎng)選擇能力和多端口的特性，為結(jié)構(gòu)緊湊、損耗小、偏振無關(guān)的光纖耦合器。
[0015] 所述光纖光柵解調(diào)儀把光纖光柵返回的光信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，得到光柵單元的 中心波長(zhǎng)變化，供處理器分析處理。
[0016] 所述光纖光柵解調(diào)儀為中高速光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀，具有中高速且多通道并行 的解調(diào)方案，能夠快速在線解調(diào)沖擊瞬間的光柵信號(hào)，對(duì)鳥撞、飛石、冰雹等低速和高速?zèng)_ 擊類型都能有效捕捉，同時(shí)又能解調(diào)檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件由靜壓和疲勞引起的光柵信號(hào)變 化。
[0017] 所述處理器配有沖擊損傷檢測(cè)模塊，包括幾何建模模塊、光纖光柵信號(hào)解析模塊、 復(fù)合材料損傷數(shù)據(jù)庫和沖擊損傷反演圖形界面，所述幾何建模模塊，用于對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 件建模，在復(fù)合材料幾何模型中準(zhǔn)確標(biāo)出光柵單元的位置；所述信號(hào)解析模塊，用于分析光 纖光柵解調(diào)儀傳輸過來的光柵數(shù)字信號(hào)，運(yùn)算處理得到復(fù)合材料應(yīng)變和應(yīng)力變化，然后和 復(fù)合材料損傷數(shù)據(jù)庫對(duì)比，以判定損傷類型和損傷程度；所述沖擊損傷反演圖形界面，用于 反演出復(fù)合材料沖擊損傷三維分布情況并輸出。
[0018] 基于上述檢測(cè)裝置的復(fù)合材料沖擊損傷在線檢測(cè)的方法，包括以下步驟：
[0019] (1)采用雙引線分別從陣列式光纖光柵兩端引出，每根光纖刻有多個(gè)光柵單元，分 別標(biāo)記為1、2、3、· · ·、η;
[0020] (2)在復(fù)合材料固化成型前，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中根據(jù)需要按照設(shè)定的間距鋪設(shè) m條刻有光柵單元的光纖，光纖標(biāo)號(hào)為1、2、3、· · ·、m，每條光纖上有η個(gè)光柵單元，構(gòu)成 陣列式光纖光柵傳感器；
[0021] (3)將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件固化成型，光纖被埋于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，通過雙引線連 接第一光纖耦合器、