基于光纖光柵傳感器內(nèi)埋的復合材料加筋板沖擊位置識別

王文娟，宋 昊，吳 天，薛景鋒

（中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

碳纖維復合材料層壓板憑其獨特的質(zhì)輕、比強度高、設(shè)計性強等優(yōu)勢在飛機關(guān)鍵部位的用量與日俱增，然而該材料在沖擊載荷作用下，內(nèi)部易出現(xiàn)分層、脫粘等損傷，表面難以察覺，易帶來重大安全隱患[1]。傳統(tǒng)周期性的損傷檢查方式如超聲波檢查等，以人工為主，檢查速率低且無針對性區(qū)域，耗時耗力且耗費巨大，無法滿足新一代裝備結(jié)構(gòu)實時健康監(jiān)測的需求。需要結(jié)合實時監(jiān)測的方式對沖擊位置和能量進行預先識別，根據(jù)載荷情況鎖定待檢區(qū)域，視情檢查，提高效率，確保安全性。傳統(tǒng)的載荷監(jiān)測傳感器為表貼式，所用膠粘劑在飛機所處惡劣環(huán)境中易老化，耐久性差，易受電磁干擾，布線繁瑣；另一方面無法真實感知材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，難以真正實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)的預測與健康管理（PHM）。光纖布拉格光柵（FBG）傳感器結(jié)構(gòu)靈巧似“頭發(fā)絲”，易內(nèi)埋于復合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一體化結(jié)構(gòu)，可靠性高，抗電磁干擾，一根光纖可實現(xiàn)上百個測量點，是內(nèi)埋于復合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)監(jiān)測的最佳傳感器[2-3]。

美國波音公司利用FBG傳感技術(shù)測試了航天飛機結(jié)構(gòu)在實際飛行環(huán)境中的溫度、應變、腐蝕的變化情況，并在波音777和787中均采用了FBG光纖手段進行相關(guān)參數(shù)的跟蹤，效果顯著[4]；美國將FBG傳感器內(nèi)埋于碳納米管增強復合材料，監(jiān)測不同載荷下的碳納米層的應變變化[5]；空客公司提出了基于FBG傳感技術(shù)的整體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測項目，并將其應用于C-27J“斯巴達人”運輸機的溫度、微應變等空中監(jiān)測研究[6]；日本宇航研發(fā)機構(gòu)利用FBG傳感器應用于復合材料機翼結(jié)構(gòu)進行健康檢測并通過耐久性試驗驗證其可長期使用的能力，并在復合材料上安裝了近250支FBG傳感器監(jiān)測飛機機翼盒段在飛行載荷測試中的應變場和載荷分布[7-9]。瑞士聯(lián)邦技術(shù)協(xié)會利用FBG傳感器內(nèi)埋于復合材料來監(jiān)測內(nèi)部彈性應變和纖維樹脂分層損傷情況[10]。

國內(nèi)以高校和科研機構(gòu)為代表，南京航空航天大學的袁慎芳等在復合材料機翼盒段上利用表面安裝的FBG傳感器實現(xiàn)了盒段承受載荷的有效監(jiān)測[11-12]；北京航空航天大學張博明等[13]開展了新型的分布式光纖傳感器，針對復合材料固化過程的監(jiān)測；武漢理工大學和哈爾濱工業(yè)大學主要側(cè)重開展橋梁、大壩等民用領(lǐng)域的健康監(jiān)測。

國外雖有具體型號應用的報道，但未對光纖傳感器內(nèi)埋復合材料的技術(shù)細節(jié)進行披露，國內(nèi)研究側(cè)重民用和實驗室階段，技術(shù)尚未成熟，對內(nèi)埋工藝、應變、載荷監(jiān)測的研究處于起步階段。

中航工業(yè)計量所[2,6]立足航空復合材料智能監(jiān)測需求，已經(jīng)形成包括光纖光柵傳感器和解調(diào)儀生產(chǎn)、封裝、測試服務等技術(shù)能力，并開展了大量的光纖內(nèi)埋復合材料工藝和性能測試研究，保證了光纖光柵傳感器的高成活性、埋植工藝一致性，信號可靠性，支撐了光纖光柵傳感器內(nèi)埋航空復合材料結(jié)構(gòu)進行沖擊載荷定位監(jiān)測技術(shù)的研究。

本文將光纖光柵傳感器在復合材料層合板預浸料階段埋入，通過熱壓罐固化方式成型為一體化結(jié)構(gòu)，研究傳感器對層合板不同位置載荷沖擊的識別技術(shù)；并將4串（12支）光纖光柵傳感器內(nèi)埋于航空飛機典型復合材料加筋板結(jié)構(gòu)，通過互相關(guān)函數(shù)算法成功實現(xiàn)了小尺寸加筋板結(jié)構(gòu)的沖擊定位判別。

內(nèi)埋FBG傳感器的復合材料平板沖擊理論分析

試件材料為碳纖維增強環(huán)氧基復合材料，制件尺寸為150mm×100mm×4mm，符合ASTM D 7137M-07標準，單層預浸料厚0.125mm，共32層，鋪層方式為[45/0/-45/90]4s。在復合材料預浸料熱壓罐成型前，將4個光纖光柵傳感器（編號 1-1、1-2、2-1、2-2）預埋在第16層至第17層之間，傳感器布局及測試系統(tǒng)組成如圖1所示。采用的光纖光柵傳感器及解調(diào)儀如圖2所示，光纖光柵傳感器為直徑155μm耐300℃的聚酰亞胺涂覆型，光纖光柵解調(diào)儀為中航工業(yè)計量所生產(chǎn)，型號為FI220，采樣頻率可達2kHz，分辨率為 1pm。

圖1 傳感器布置位置及測試系統(tǒng)Fig.1 Sensor layout position and test system

圖2 光纖光柵傳感器及解調(diào)儀Fig.2 FBG sensors and demodulator

圖3 復合材料平板沖擊有限元分析Fig.3 Finite element analysis of composite plate

首先針對該平板進行簡單的有限元定性分析。網(wǎng)格劃分如圖3（a）所示，劃分為30×20個小網(wǎng)格，將沖擊能量設(shè)定為2J，沖擊方式選用球狀沖擊，沖擊位置為層壓板的中心部位，得到?jīng)_擊后瞬間的應變云圖如圖3（b）所示。由圖3（b）可知，在沖擊點區(qū)域的應變值最大，遠離沖擊位置的部位應變逐漸變小，可利用沖擊瞬間應變峰值的響應來判定沖擊位置。主要思路是接近沖擊點的FBG傳感器監(jiān)測的應變幅值較大，該方法的優(yōu)點是不需要材料的性能及幾何數(shù)據(jù)，僅需知道每個FBG傳感器的相對位置，從理論分析上驗證了方法的可行性。

內(nèi)埋FBG傳感器的復合材料平板沖擊試驗

從試驗的角度驗證內(nèi)埋復合材料的光纖光柵傳感器對沖擊載荷的識別情況，包括沖擊事件的記錄、不同位置的敏感程度以及數(shù)據(jù)重復性等。

1 FBG傳感器監(jiān)測沖擊事件的發(fā)生

將試件中部區(qū)域劃分成如圖1所示的二維網(wǎng)格，將試件進行四邊固支，采用彈簧沖擊力錘作為沖擊載荷發(fā)生裝置，錘頭半球直徑為22mm，沖擊能量為0～2J可調(diào)，精度為0.1J。試驗用解調(diào)儀頻帶寬度為40nm，波長精度為1pm，動態(tài)范圍為25dB，掃描頻率為2000Hz。試驗前首先目視檢查，沖擊表面都未見凹坑，然后用超聲C掃描檢測，試件內(nèi)部無明顯損傷。

以0.7J的能量對如圖1所示的C1～C9位置進行沖擊試驗為例，傳感器1-1和1-2的沖擊響應曲線如圖4所示?？梢钥闯觯敍_擊發(fā)生時，靠近沖擊點的FBG傳感器波長均會發(fā)生一個突變，可以判定沖擊事件的發(fā)生。同時沖擊位置由C1逐漸變至C9時，距C9點較近的傳感器1-1的中心波長變化量的絕對值呈逐漸增大的趨勢，傳感器1-2反之。因此找到?jīng)_擊時應變響應的最大點和沖擊位置的關(guān)系是可行的。

圖4 傳感器1-1和1-2響應曲線Fig.4 Sensor 1-1 and 1-2 response curves

圖5 沖擊C2、C8位置時4個傳感器的波長變化Fig.5 Wavelength variation of four sensors with impact positions at C2、C8

分別沖擊C2點和C8點時4個傳感器的瞬間波形曲線如圖5(a）和圖5（b）所示?？梢钥闯?，沖擊事件響應時間約為1.5ms左右，采用頻率為2000Hz的儀表，每個波形只能采到?jīng)_擊事件發(fā)生時的3～4個點，由于所采的數(shù)據(jù)點較少，會影響測試能量的精度，但是對沖擊位置的測試依據(jù)同一時刻的相對應變大小，該頻率的儀表可以滿足要求。如圖5（a）所示，當沖擊C2點時，距離該點較近的傳感器1-2和2-2瞬時波長變化較大；同理，當沖擊C8點時，距離該點較近的傳感器1-1和2-1瞬時波長變化較大，實現(xiàn)復合材料層壓板沖擊事件的監(jiān)測。

2 FBG在相同沖擊能量下對不同沖擊位置的敏感性

相同能量沖擊（0.5J為例）條件下，將A列長度方向等分為9個沖擊點，按照A1，A2，…，A9的順序逐點進行沖擊。記錄4個傳感器在每次沖擊下的中心波長與初值的變化。4個傳感器在A列不同位置沖擊后的波長差值變化如圖6所示，在A列的1#和2#位置處，傳感器2-2波長變化較大，約為0.30nm，這兩個沖擊點接近傳感器2-2。同理，在A列8#和9#位置處，傳感器2-1波長變化較大，最大可達0.15nm?？梢?，內(nèi)埋的光纖光柵對于附近的沖擊事件能很好地監(jiān)測到。

3 FBG傳感器對沖擊事件識別的數(shù)據(jù)重復性

以能量0.5J沖擊A行的A1點至A9點為例，沖擊過程同樣重復兩次。傳感器2-1和2-2波長隨著沖擊位置A1至A9的變化情況如圖7（a）和圖7（b）所示。傳感器2-1基本呈上升的趨勢，這是因為沖擊點逐漸靠近傳感器2-1。相反傳感器2-2則呈下降的趨勢。當沖擊A9點和A1點時，因為沖擊點正好分別位于傳感器2-1和傳感器2-2的位置，瞬間影響到光柵的周期性結(jié)構(gòu)，因此這兩個點的傳感器波長有一定偏差，最大在75pm左右，仍屬于沖擊定位誤差范圍內(nèi)。 因此，F(xiàn)BG傳感器對沖擊事件識別的數(shù)據(jù)重復性一致性較好。

圖6 4個傳感器在A列不同位置沖擊后的中心波長變化Fig.6 Wavelength difference changes of 4 sensors with different impact locations in column A

圖7 傳感器在3次相同沖擊條件下的波長變化Fig.7 Wavelength difference changes of sensors under the three same impact conditions

內(nèi)埋光纖光柵傳感器的復合材料加筋板沖擊定位研究

采用航空機翼常用的復合材料T型加筋板，材料體系選用國產(chǎn)CCF300碳纖維增強環(huán)氧基復合材料，預浸料單層厚度為0.125mm，加筋板的蒙皮尺寸為620mm×500mm，蒙皮厚度為3mm，鋪層順序為[45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°/0°]S。筋條的鋪層順序為[45°/-45°/0°/45°/-45°/0°/45°/-45°/0°/45°/-45°/0°]S。筋條的高度為26.5mm，凸緣寬度為30mm。復合材料加筋板共4根筋條，每根筋條與蒙皮連接中間埋植3個光柵，光柵之間的間距為200mm。內(nèi)埋光纖光柵傳感器的復合材料T型加筋板形狀如圖8（a）所示。

與平板試件類似，首先對加筋板進行有限元分析，利用沖擊錘以2J的能量沖擊加筋板的中心位置，得到的應變云圖如圖8（b）所示，理論上可以得出，利用沖擊點周圍的應變分布可以實現(xiàn)加筋板的沖擊載荷定位識別。

圖8 復合材料加筋板實物及有限元分析Fig.8 Stiffened composite plate and finite element analysis

針對有限元分析結(jié)果，將復合材料加筋板有效面積分割成9行10列共90個單元格，如圖9所示，每個單元格長寬均為5cm，共有12個FBG傳感器（見圖中12個紅點）內(nèi)埋在復合材料中。

在加筋板沖擊試驗中，光纖光柵傳感器的信號采集、沖擊載荷下的特征信號提取以及沖擊定位數(shù)據(jù)處理方法如圖10所示。

圖9 光纖光柵內(nèi)埋復合材料加筋板簡化圖Fig.9 Simplified diagram of stiffened composite plate with FBG sensors embedded

圖10 數(shù)據(jù)處理方法Fig.10 Data processing method

加筋板沖擊定位算法采用互相關(guān)函數(shù)定位算法，如圖11所示。

圖11 互相關(guān)沖擊定位流程圖Fig.11 Cross-correlation impact location flow chart

圖12 加筋板沖擊定位識別系統(tǒng)Fig.12 Stiffened plate impact location identification system

光纖嵌入復合材料加筋板試件沖擊定位監(jiān)測系統(tǒng)如圖12所示，系統(tǒng)包含4個部分：內(nèi)埋光纖光柵傳感器的復合材料加筋板、彈簧沖擊錘、光纖光柵解調(diào)儀以及運行沖擊監(jiān)測軟件的上位機。

應用文中所述的互相關(guān)沖擊定位方法實現(xiàn)沖擊載荷位置的識別。本試驗中識別的最小區(qū)域為邊長5cm的方格，以沖擊加筋板任意位置作為實際沖擊點，取方格區(qū)域的正中心作為識別的沖擊位置。識別結(jié)果如表1所示。

表1 沖擊定位試驗互相關(guān)算法監(jiān)測數(shù)據(jù)

互相關(guān)算法對沖擊位置識別的平均絕對誤差為：

式中，N=20為試驗樣本總數(shù)。最大誤差為11.97cm，相當于兩個最小識別區(qū)域的距離。平均絕對誤差僅為3.18cm。由此可見，實際沖擊點與識別沖擊點基本位于同一個小方格（5cm×5cm）內(nèi)，基于互相關(guān)理論的沖擊定位算法具有較高的定位精度。

結(jié)論

將光纖光柵傳感器埋入樹脂基復合材料層合板內(nèi)部，其波長突變可用來判定沖擊事件的發(fā)生；FBG傳感器對不同的沖擊能量，不同的沖擊位置具有不同的敏感性，距離沖擊點較近和沖擊能量較大時，F(xiàn)BG波長變化較大，可實現(xiàn)對沖擊位置的識別；并將光纖光柵傳感器在復合材料加筋板成型時埋入形成一體化結(jié)構(gòu)，通過互相關(guān)沖擊定位的算法成功實現(xiàn)了復合材料加筋板的沖擊載荷定位識別，沖擊定位平均絕對誤差小于5cm。

基于內(nèi)埋光纖光柵傳感器的復合材料沖擊載荷定位精度主要取決于光柵密度、解調(diào)儀的采樣頻率和定位算法。若能進一步提高這幾個關(guān)鍵技術(shù)，就可以提高沖擊定位精度，更好地滿足飛機復合材料結(jié)構(gòu)的沖擊定位實時監(jiān)測，縮小損傷檢測范圍，更快捷地檢測和修復損傷，減小飛機安全隱患。

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