一种复合材料层板冲击损伤识别方法及测试装置

摘要

本发明涉及一种复合材料层板冲击损伤识别方法及测试装置，属于复合材料结构健康监测技术领域。该装置包括复合材料层合板(1)、光纤光栅应变传感器(2)、传输光纤(3)、光纤光栅解调仪表(4)、数据存储以及分析软件(5)、电脑(6)、冲击装置(7)；其中，冲击装置(7)包括轨道固定支架(8)、下落轨道(9)、固定底座(10)、下落质量块(11)和冲击头(12)。本发明可以实现在线监测，可以给出冲击能量大小的识别结果。即便冲击未造成损伤，本发明的方法也可以给出曾受到冲击位置的识别结果。而这种情况下，超声C扫描的方法以及X射线方法是无法给出冲击位置结果的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料层板冲击损伤识别方法及测试装置，属于复合材 料结构健康监测技术领域。

背景技术

随着复合材料在各类结构(如飞机结构、风力发电叶片结构、民用建筑结 构、桥梁结构等)上应用的增加，也随着使用者对结构安全性、可靠性要求的 提高，对复合材料结构损伤识别技术的研究及应用日益受到重视。目前常用于 复合材料结构损伤探测的技术是超声C扫描技术、X射线技术。这两种技术都 可以给出复合材料结构损伤部位的图像，其结果比较直观。但存在这样的不足： 超声C扫描的方法用时比较长，特别是大面积损伤探测需要时间更长，其是离 线监测的方法，扫描结果尽管能够给出损伤面积的大小和形状，但不能给出受 到冲击能量大小的结论。X射线技术也是离线监测的方法，同样只能给出损伤 面积的大小和形状，但不能给出受到冲击能量大小的结论。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提出一种复合材料层板冲击损 伤识别方法及测试装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种复合材料层板冲击损伤识别方法，该方法是基于冲击响应的 损伤识别方法，是基于复合材料冲击载荷条件下的特点提出的新损伤识别指标， 新损伤识别指标包括：脉冲上升时间、下降时间、总时间、上升时间比下降时 间、下降时间比上升时间；脉冲上升面积、下降面积、上升面积与下降面积之 比、下降面积与上升面积之比、总面积。所述的脉冲下降面积、总面积、脉冲 持续时间是其中最好的指标。提出的总面积指标(应变冲量指标)和下降面积 指标(应变下降段冲量)既可以识别冲击能量的大小，也可以识别冲击位置。 脉冲下降面积、总面积、脉冲持续时间(总时间)三个指标可以识别冲击能量 的大小。

本发明提出的冲击损伤识别方法与传统的超声C扫描的方法以及X射线的 方法相比，其优点在于可以实现实时监测，可以给出冲击能量大小的识别结果。 即便冲击未造成损伤，本发明的方法也可以给出曾受到冲击位置的识别结果。 这种情况下，超声C扫描的方法以及X射线方法是无法给出冲击位置结果的。

本发明提出的一种复合材料层板冲击损伤识别方法可以为复合材料结构健 康监测系统提供有益的数据支持和损伤识别的新方法和识别新指标。

本发明提出的损伤识别方法包括基于复合材料层板冲击应变响应的10个新 损伤指标。

本发明的一种复合材料层板冲击损伤测试装置，包括复合材料层合板、光 纤光栅应变传感器、传输光纤、光纤光栅解调仪表、数据存储以及分析软件、 电脑、冲击装置；其中，冲击装置包括轨道固定支架、下落轨道、固定底座、 下落质量块和冲击头；下落轨道安装在固定支架上；固定底座位于固定支架内 的底部并放置在冲击头的正下方，下落质量块安装在下落轨道上，冲击头安装 在质量块上；复合材料层合板安装在固定底座上；安装方式为：复合材料层合 板放置在固定底座的凹槽内，压条放置在复合材料层合板的四个角的上面，压 条通过螺钉安装固定在固定底座上。这时，复合材料板与固定底座之间形成了 一个空腔，从而形成了四边固支板，模拟飞机上的复合材料板所受到冲击作用 的情况；

光纤光栅应变传感器粘贴在复合材料层合板上；传输光纤的一端与光光纤 光栅应变传感器连接，传输光纤的另一端与光纤光栅解调仪表连接，光纤光栅 解调仪表与电脑连接，电脑安装了数据存储以及分析软件，数据存储以及分析 软件可以对光纤光栅解调仪表传输到电脑的数据进行存储以及分析；数据存储 以及分析软件编写了复合材料层合板冲击损伤识别的新指标和算法，具有了冲 击定位和损伤程度判别的功能；

上述的光纤光栅解调仪表采用的是美国MOI公司生产的SI920光学传感器 振动模式分析仪，其采样频率为100kHz；

上述的数据存储以及分析软件中包含了提出的基于冲击应变响应的对称性 以及不对称性特点的新损伤识别指标进行损伤识别的方法；

上述的测试装置是针对地面试验的装置，该装置也可以应用于飞机上的在 线监测装置，如飞机上的复合材料在线监测装置，这时，冲击是飞鸟或其他物 体，所述的冲击损伤识别方法及指标依然可以用来识别这种情况下的冲击的位 置和冲击能量的大小。

上述的复合材料层合板结构，不限于此，其他复合材料板，如蜂窝夹层板 也可以应用此方法进行识别。

上述的冲击头是按照美国ASTM标准制作的(标准号为D713/7136M)。

依据复合材料层板在低速冲击条件下，其表面产生动态应变ε，这种应变 响应在开始一段时间内，表现为脉冲信号。脉冲信号包含脉冲起始时间t_s、脉 冲响应达到最大值的时间t_m、以及脉冲响应结束时间t_e。以脉冲动态应变ε的 特点提取新的冲击损伤识别指标。

当冲击能量小，发生弹性冲击时，复合材料板没有发生损伤，其脉冲动态 应变ε信号非常接近半正弦波，表现出对称性的特点。就是其上升段信号(t_s到 t_m之间的信号)与其下降段信号(t_m到t_e之间的信号)关于t_m坐标竖线是对称 的。

当冲击能量增大，复合材料层板发生冲击损伤时，其脉冲动态应变ε信号 不再为半正弦波，表现出明显的不称性的特点。就是其上升段信号(t_s到t_m之 间的信号)与其下降段信号(t_m到t_e之间的信号)不再关于t_m坐标竖线对称。

可见损伤引起了脉冲动态应变ε信号的不对称性。以脉冲动态应变ε信号 的特点构造损伤识别指标如下。上升时间T_sm＝t_m-t_s，是脉冲动态应变ε信号起 始时间到响应达到最大值的时间长度；下降时间T_me＝t_e-t_m，是脉冲动态应变ε 信号达到最大值的时间到结束时间长度；总时间T＝t_e-t_s，是脉冲动态应变ε信 号起始时间到结束时间长度；上升时间比下降时间是上升时间长度与 下降时间长度之比；下降时间比上升时间是下降时间长度与上升时间 长度之比；脉冲上升面积是脉冲动态应变ε信号在起始时间到 响应达到最大值的时间范围内的积分，是脉冲动态应变在上升时间范围内的应 变冲量；脉冲下降面积是脉冲动态应变ε信号在响应达到最大值 的时间到结束时间范围内的积分，是脉冲动态应变在下降时间范围内的应变冲 量；上升面积与下降面积之比是上升时间范围内应变冲量与下降时间 范围内应变冲量之比。下降面积与上升面积之比是下降时间范围内应 变冲量与上升时间范围内应变冲量之比。总面积是脉冲动态应变ε 信号在响应起始时间到结束时间范围内的积分，是脉冲动态应变在总时间(脉 宽)范围内的应变冲量。

损伤指标具有的特点：冲击能量小，发生弹性冲击时，复合材料板没有发 生损伤，其冲击响应(应变脉冲信号)是对称的，就是脉冲应变信号关于其峰 值对应时间坐标竖线是对称的。这时，其上升时间与下降时间相等，上升面积 与下降面积相等，上升时间比下降时间、下降时间比上升时间、上升面积与下 降面积之比、下降面积与上升面积之比均等于1。

当冲击能量大，并造成损伤时，冲击响应表现出不对称性，就是脉冲应变 信号不再关于其峰值对应时间坐标竖线对称。这时，其上升时间与下降时间不 再相等，上升面积与下降面积不再相等。上升时间比下降时间、下降时间比上 升时间、上升面积与下降面积之比、下降面积与上升面积之比均不再等于1。

综上所述，提出的新损伤识别指标(10个)为：脉冲上升时间、下降时间、 总时间、上升时间比下降时间、下降时间比上升时间；脉冲上升面积、下降面 积、上升面积与下降面积之比、下降面积与上升面积之比、总面积。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种复合材料层板冲击损伤识别方法。该方法是基于冲击响 应的损伤识别方法，是基于复合材料冲击载荷条件下的特点提出的新损伤识别 指标，新损伤识别指标包括：脉冲上升时间、下降时间、总时间、上升时间比 下降时间、下降时间比上升时间；脉冲上升面积、下降面积、上升面积与下降 面积之比、下降面积与上升面积之比、总面积。所述的脉冲下降面积、总面积、 脉冲持续时间(总时间)是其中最好的指标。提出的总面积指标(应变冲量指 标)和下降面积指标(应变下降段冲量)既可以识别冲击能量的大小，也可以 识别冲击位置。脉冲下降面积、总面积、脉冲持续时间(总时间)三个指标可 以识别0.8到6.67J/mm范围内的冲击能量的大小。本发明提出的冲击损伤识别 方法与传统的超声C扫描的方法以及X射线的方法相比，其优点在于可以实现 在线监测，可以给出冲击能量大小的识别结果。即便冲击未造成损伤，本发明 的方法也可以给出曾受到冲击位置的识别结果。而这种情况下，超声C扫描的 方法以及X射线方法是无法给出冲击位置结果的。

本发明提出的一种复合材料层板冲击损伤识别方法可以为复合材料结构健 康监测系统提供有益的数据支持和损伤识别的新方法和识别新指标。本发明提 出的一种复合材料层板冲击损伤识别方法还具有识别效果好，抗干扰能力强， 识别指标鲁棒性好，识别指标运算速度快以及适合在线监测的优点。

附图说明

图1是本发明的测试装置示意图；

图2是本发明的试样板安装示意图；

图3总时间与冲击能量之间的关系图；

图4下降面积与冲击能量之间的关系图；

图5总面积与冲击能量之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做以下详细描述。

如图1、图2所示，测试装置包括复合材料层合板1、光纤光栅应变传感器 2、传输光纤3、光纤光栅解调仪表4、数据存储以及分析软件5、电脑6、冲击 装置7；其中，冲击装置7包括轨道固定支架8、下落轨道9、固定底座10、下 落质量块11和冲击头12；所述的复合材料层合板1大小为：150mm长，100mm 宽，4mm厚。复合材料层合板1为CCF300纤维，5228A树脂制作而成，其铺 层方法为[45/0/-45/90]4s。这种复合材料层合板1可以为飞机结构的蒙皮材料。

下落轨道9安装在固定支架8上，固定底座10放置在冲击头12的正下方， 下落质量块11安装在下落轨道9上，冲击头12安装在质量块11上。所述的复 合材料层合板1安装在固定底座10上。安装方式为：复合材料层合板1放置在 固定底座10的凹槽16内，压条13放置在复合材料层合板1的四个角的上面， 压条13通过螺钉14安装固定在固定底座10上；这时，复合材料板1与固定底 座10之间形成了一个空腔15，从而形成了四边固支板，模拟飞机上的复合材料 层合板1所受到冲击作用的情况。

本发明的工作过程是：如图2所示，在复合材料层合板1安装光纤光栅应 变传感器2位置处进行打磨、清理后，按照图2所示粘贴位置，将5只光纤光 栅(FBG)应变传感器2用胶粘贴在复合材料层合板1上。将复合材料层合板1安 装在固定底座10上，将固定底座10放置于冲击头12的正下方，使冲击头12 的中心与复合材料层合板1的中心重合，传输光纤3的一端连接光纤光栅应变 传感器2，传输光纤3的另一端连接光纤光栅解调仪表4，光纤光栅解调仪表4 与电脑6连接，数据存储分析软件5安装在电脑6内。

打开光纤光栅解调仪表4，打开电脑6，打开数据存储及分析软件5，开始 采集数据。依据设计能量的大小，人工将冲击装置7上的下落质量块11沿下落 轨道9提高一个高度，零初速释放下落质量块11，使之自由下落，冲击复合材 料层合板1的中点，冲击后下落质量块11反弹，人工双手接住下落质量块11， 防止二次冲击。在冲击过程中，复合材料层合板1产生动态应变，粘贴在复合 材料层合板1上的光纤光栅应变传感器2随之产生动态应变，光纤光栅应变传 感器2的反射光经传输3传到光纤光栅解调仪表4，光纤光栅解调仪表4将光信 号转变为电信号，并将数据传输至电脑6，电脑6存储系统存储数据。

冲击结束后，电脑6上安装的数据存储以及分析软件5对数据进行分析， 得到如图3到图5的结果，分析得到冲击能量的大小。

总面积指标(应变冲量指标)和下降面积指标所具有的特点：距离冲击位 置越近，冲击应变响应的这两个指标绝对数值越大，距离冲击位置越远，冲击 应变响应的这两个指标绝对数值越小。依据此特点并结合事先粘贴传感器的位 置(已知的)，应用所提出的总面积指标(应变冲量指标)和下降面积指标(应 变下降段冲量)识别得到冲击位置。

经过这样实施，本发明的方法和装置可以给出冲击能量的位置和冲击能量 大小的识别结果。

对复合材料层板施加0.8J/mm到6.67J/mm的14个等级的冲击能量。其中 0.8J/mm的冲击能量对应没有损伤情况；6.67J/mm冲击能量对应试验件穿透情 况，是试验中最大的冲击能量。就提出的10个损伤指标进行试验研究，试验研 究的结果表明：

在4.45J/mm冲击能量到6.67J/mm冲击能量之间，随冲击能量增加，上升 时间减小。因此，上升时间适合为4.45到6.67J/mm冲击能量范围内的冲击损伤 识别指标。

在0.8到6.67J/mm的冲击能量范围内，随冲击能量增加，大体上，下降时 间指标值增加，二者表现出明显的单调增加规律。因此在0.8到6.67J/mm的冲 击能量范围内，下降时间指标可以是损伤识别比较好的指标。

在0.8到6.67J/mm的冲击能量范围内，随冲击能量增加，大体上，升降总 时间(脉宽)增加，二者表现出明显的单调增加规律。因此在0.8到6.67J/mm 的冲击能量范围内，升降总时间(脉宽)可以是损伤识别比较好的指标。

在3J/mm冲击能量到6.67J/mm的冲击能量范围内，随冲击能量增加，上升 时间与下降时间之比减小，二者表现出单调减的关系。因此，上升时间与下降 时间之比适合为3到6.67J/mm冲击能量范围内的冲击损伤识别指标。

在0.8到6.67J/mm的冲击能量范围内，随冲击能量增加，总体上下降时间 与上升时间之比单调增加，二者表现出明显的单调递增关系。但是在0.8到3J/mm 的冲击能量范围内，冲击能量增加，此指标没有明显变化，接近水平直线，因 此，下降时间与上升时间之比适合为3到6.67J/mm冲击能量范围内的冲击损 伤识别的敏感指标。

在0.8到3J/mm的冲击能量范围内，大体上上升面积随冲击能量增加单调 减少(绝对数值单调增加)，因此，这样的指标对小的冲击损伤比较敏感，适用 于在3J/mm能量之下的冲击损伤识别。在4.45到6.67J/mm的冲击能量范围内， 上升面积随冲击能量增加单调增加(绝对数值单调减少)，因此，这样的指标对 大的冲击损伤比较敏感，适合在4.45J/mm到6.67J/mm能量范围内的冲击损伤 识别。

在0.8到6.67J/mm的冲击能量范围内，随冲击能量增加，大体上，下降面 积单调减少(绝对数值增加)，二者表现出明显的规律。因此，下降面积适合 为0.8到6.67J/mm冲击能量范围内的冲击损伤识别指标。其既对小的冲击能量 (3J/mm以下的冲击能量)又对大的冲击能量(4.45/mm以上的冲击能量)敏感。

在0.8到3J/mm的冲击能量范围内，上升面积与下降面积之比与冲击能量 之间没有表现出明显的规律。因此，这样的指标对小的冲击损伤不敏感，不适 合在3J/mm能量之下的冲击损伤识别。在3到6.67J/mm的冲击能量范围内，上 升面积与下降面积之比值随冲击能量增加单调减少，因此，这样的指标对大的 冲击损伤比较敏感，适合在3J/mm到6.67J/mm能量范围内的冲击损伤识别。

在0.8到3J/mm的冲击能量范围内，下降面积与上升面积之比与冲击能量 之间没有表现出明显的规律。因此，这样的指标对小的冲击损伤不敏感，不适 合在3J/mm能量之下的冲击损伤识别。在3到6.67J/mm的冲击能量范围内，下 降面积与上升面积之比值随冲击能量增加单调增加，因此，这样的指标对大的 冲击损伤比较敏感，适合在3J/mm到6.67J/mm能量范围内的冲击损伤识别。

在0.8到6.67J/mm的冲击能量范围内，随冲击能量增加，大体上，总面积 单调减少(绝对数值增加)，二者表现出明显的单调递减规律。因此，总面积 适合为0.8到6.67J/mm冲击能量范围内的冲击损伤识别指标。其既对小的冲击 能量(3J/mm以下的冲击能量)又对大的冲击能量(4.45/mm以上的冲击能量) 敏感。

所述的脉冲下降面积、总面积、脉冲持续时间是其中最好的指标，可以识 别0.8到6.67J/mm范围内的冲击能量大小。其中所提出的总面积指标(应变冲 量指标)和下降面积指标具有这样的特点：光纤光栅应变传感器距离冲击位置 越近，由其测得冲击应变响应所提取的总面积指标(应变冲量指标)和下降面 积指标绝对数值越大，相反，光纤光栅应变传感器距离冲击位置越远，由其测 得冲击应变响应的所提取的总面积指标(应变冲量指标)和下降面积指标绝对 数值越小。依据这样的特点以及预先粘贴的已知传感器粘贴的位置，应用所提 出的总面积指标(应变冲量指标)和下降面积指标(应变下降段冲量)可以识 别冲击相对于传感器的位置，即可以识别冲击位置。

脉冲下降面积、总面积、脉冲持续时间(总时间)三个指标与冲击能量的 大小关系的试验结果如下。

图3给出了总时间与冲击能量之间的关系。由图3可见：在0.8到6.67J/mm 的冲击能量范围内，随冲击能量增加，大体上，升降总时间(脉宽)也增加， 二者表现出明显的单调增加规律。因此在0.8到6.67J/mm的冲击能量范围内， 升降总时间(脉宽)可以是损伤识别比较好的指标。

图4给出了下降面积与冲击能量之间的关系。由图4可见，在0.8到 6.67J/mm的冲击能量范围内，随冲击能量增加，大体上，下降面积单调减少(绝 对数值增加)，二者表现出明显的规律。因此，下降面积适合为0.8到6.67J/mm 冲击能量范围内的冲击损伤识别指标。其既对小的冲击能量(3J/mm以下的冲 击能量)又对大的冲击能量(4.45/mm以上的冲击能量)敏感。

图5给出了总面积与冲击能量之间的关系。由图5可见：在0.8到6.67J/mm 的冲击能量范围内，随冲击能量增加，大体上，总面积单调减少(绝对数值增 加)，二者表现出明显的单调递减规律。因此，总面积适合为0.8到6.67J/mm 冲击能量范围内的冲击损伤识别指标。其既对小的冲击能量(3J/mm以下的冲 击能量)又对大的冲击能量(4.45/mm以上的冲击能量)敏感。

所述的数据存储以及分析软件5是在MATLAB软件平台上进行编译程序 而得到的。在MATLAB平台上，一方面针对提出的10个损伤识别指标(脉冲 上升时间、下降时间、总时间、上升时间比下降时间、下降时间比上升时间； 脉冲上升面积、下降面积、上升面积与下降面积之比、下降面积与上升面积之 比、总面积)编写程序，使之可以对冲击应变(冲击应变是由光纤光栅(FBG) 测试并经计算得到的，其原理见文献“武湛君，万里冰，张博明，赵海涛，光 纤光栅应变传感器监测复合材料层板疲劳过程，复合材料学报，第21卷第6 期，2004年12月”)数据进行处理并能得到这10个指标所对应的数值。结合 试验研究的结果，在一定范围内判别冲击能量的大小。另一方面，再将文献提 出的峰值响应包络面法(王利恒，复合层合板低速冲击应变测试及其状态监测， 压电与声光，2012年8月34卷4期，总205期：509-514)也在此MATLAB 平台上进行编译程序，结合上述程序得到的总面积指标(应变冲量指标)和下 降面积指标，所述的数据存储以及分析软件5也能够实现冲击位置的识别。