[發(fā)明專利]基于光纖光柵傳感的復(fù)合材料膠接接頭的損傷監(jiān)測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611219026.0
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106596586A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋春生;張夢誠;張錦光;丁國平;張家祥;楊沫;尚二偉
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: G01N21/95
• 分類號: G01N21/95;G01B11/16
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 劉秋芳,汪瑋華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料膠接接頭監(jiān)測的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于光纖光柵傳感的復(fù)合材料膠接接頭的損傷監(jiān)測方法。

背景技術(shù)

先進(jìn)復(fù)合材料因其比強度高、比剛度高、抗疲勞性能優(yōu)良和材料鋪層可設(shè)計性等優(yōu)點而成為改善產(chǎn)品性能的關(guān)鍵材料，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等工程領(lǐng)域。膠接連接接頭是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心部分。與機械連接相比，膠接連接具有輕質(zhì)、不破壞纖維結(jié)構(gòu)、連續(xù)性好、設(shè)計靈活性強等優(yōu)勢。然而由于復(fù)合材料膠接接頭內(nèi)部存在新的結(jié)合界面，損傷形式更為復(fù)雜，因此采用有效的復(fù)合材料膠接接頭監(jiān)測手段，及時預(yù)警其損傷，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠的有效保證。目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測技術(shù)中常用的傳感器有壓電元件、電阻應(yīng)變絲、疲勞壽命絲、智能涂層和真空度比較傳感器等，然而復(fù)合材料膠接接頭體積小，損傷位置應(yīng)力復(fù)雜，傳統(tǒng)的傳感器很難勝任，光纖光柵傳感器因其具有體積小、重量輕、靈敏度高、易埋入、與復(fù)合材料相容性好、能夠?qū)崿F(xiàn)一纖多點測量等優(yōu)勢，非常適合于復(fù)合材料膠接接頭的損傷監(jiān)測。

現(xiàn)有的復(fù)合材料膠接接頭損傷監(jiān)測的方法主要有兩種。一種方法利用光纖光柵反射譜中心波長的漂移來進(jìn)行應(yīng)變的測量從而實現(xiàn)損傷識別的。然而復(fù)合材料膠接接頭在服役過程中所受的應(yīng)變是非均勻的，尤其是損傷發(fā)生時，局部應(yīng)力集中嚴(yán)重且變化梯度大,只能實現(xiàn)傳感區(qū)域平均應(yīng)變的測量，這勢必會丟失損傷區(qū)域應(yīng)變場的應(yīng)變梯度信息，對膠接接頭損傷區(qū)域應(yīng)變識別必然造成很大的誤差，導(dǎo)致膠接接頭的損傷與失效很難準(zhǔn)確判別和預(yù)測。另一種方法是依靠光纖光柵(FBG)反射光譜的變化規(guī)律與損傷增長的映射關(guān)系來監(jiān)測膠接接頭的損傷。然而只有在膠接接頭的應(yīng)變分布發(fā)生突變時，F(xiàn)BG反射光譜才有明顯的變化，其不能實現(xiàn)損傷的預(yù)警，且損傷監(jiān)測精度差。相比于以上方法，應(yīng)變分布保留了應(yīng)變場的應(yīng)變梯度信息，反映了真實的膠接接頭應(yīng)變場特征，應(yīng)變分布信息更能準(zhǔn)確、直觀地反映出損傷的萌生與拓展，應(yīng)變分布信息與膠層損傷演化的映射關(guān)系對于結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測更具有重要意義。因此，為了更準(zhǔn)確有效的對復(fù)合材料膠接接頭的損傷進(jìn)行監(jiān)測，非常有必要尋求一種可實現(xiàn)復(fù)合材料膠接接頭光纖光柵傳感區(qū)非均勻應(yīng)變測量方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述存在的問題，提供基于光纖光柵傳感的復(fù)合材料膠接接頭的損傷監(jiān)測方法，有效的改善了現(xiàn)有復(fù)合材料膠接接頭損傷監(jiān)測方法精度差、損傷預(yù)警困難等問題，實現(xiàn)了對復(fù)合材料膠接接頭損傷的監(jiān)測與預(yù)警，提高了復(fù)合材料膠接接頭部位損傷監(jiān)測的精確性。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：基于光纖光柵傳感的復(fù)合材料膠接接頭的損傷監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1)將光纖光柵傳感器埋入接頭處的膠接區(qū)的復(fù)合材料層內(nèi)，將光纖光柵傳感器通過耦合器與寬帶光源、光譜儀上的通道口相連，光譜儀通過數(shù)據(jù)線與計算機相連；

S2)利用內(nèi)聚力單元模型建立復(fù)合材料膠接接頭有限元分析模型，應(yīng)用有限元分析得出復(fù)合材料膠接接頭處被粘物的應(yīng)變分布變化與損傷演化的映射關(guān)系模型；

S3)利用光譜儀測出復(fù)合材料膠接接頭處待測區(qū)的反射光譜，計算機進(jìn)行光譜信息的處理；

S4)利用遺傳算法，將測得的反射光譜進(jìn)行重構(gòu)，得到復(fù)合材料膠接接頭處的應(yīng)變分布；

S5)利用得到的應(yīng)變分布與有限元分析得到的應(yīng)變分布變化與膠層損傷演化的映射關(guān)系進(jìn)行對比，判斷復(fù)合材料膠接接頭是否出現(xiàn)損傷。

按上述方案，所述步驟S1)中光纖光柵傳感器的埋入位置靠近膠層，埋入方向與復(fù)合材料內(nèi)部增強纖維的方向平行。

按上述方案，所述步驟S3)中包括如下內(nèi)容：寬帶光源通過發(fā)射激光，通過光纖傳入光纖光柵傳感器，經(jīng)過光柵反射，反射光譜通過光纖傳入光譜儀中，最后光譜儀將光譜信息傳入計算機。

按上述方案，所述步驟S4)中所述遺傳算法的操作對象為應(yīng)變分布參數(shù)ε_k＝[ε_k(1),ε_k(2),…ε_k(n)](其中n為獨立變量，ε_k表示當(dāng)前種群中的第k個個體的應(yīng)變分布，ε_k(n)表示當(dāng)前種群中第k個個體的第n個變量)，所述應(yīng)變分布參數(shù)通過高階擬合生成的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示所述應(yīng)變分布。

按上述方案，所述遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)是由所述高階擬合生成的數(shù)學(xué)表達(dá)式計算的反射光譜與實際監(jiān)測到的反射光譜的差值。

按上述方案，所述光纖光柵傳感器埋入接頭處的膠接區(qū)的復(fù)合材料的最外層和次外層之間。