飞机复合材料关键结构回环型测点优化布局应变实时监测方法

摘要

本发明提供了一种飞机复合材料关键结构回环型测点优化布局应变实时监测方法，属于飞机关键结构薄弱部位监测技术领域。通过布置在飞机关键结构件表面的薄膜传感器监测飞机在服役过程中疲劳状态，同时基于传感器得到的各测点输出数据对预测位置的疲劳状态进行预测，实现对飞机关键结构部位寿命的实时监测，防止飞机关键部件薄弱位置发生疲劳破坏，确保飞机整体设备安全可靠的工作。

说明书

技术领域

本发明提供了一种飞机复合材料关键结构回环型测点优化布局应变实时监测方法，具体涉及一种飞机服役结构薄弱位置智能监测系统布局方法，能够有效实现飞机结构件应变的实时监测，属于飞机结构件表面应变监测技术领域。

背景技术

飞机结构不仅要承受复杂循环的疲劳载荷、意外冲击载荷等作用，而且还要承受温度、湿度等严苛的外部环境因素的考验，这些因素严重影响飞机的结构性能。监测飞机关键结构是避免结构薄弱部位失效的重要手段，避免引起突发灾难性事故、降低维护成本、延长使用寿命。复合材料广泛应用于飞机结构部位，但损伤模式复杂多样，通常分为纤维断裂、基体失效、纤维与基体界面脱粘等，不易从表面直接观察且检测困难。因此，需要对飞机结构的疲劳寿命进行监测，制定维护策略和维修方案，以保证飞行器的安全服役并取得最大的经济效益。疲劳裂纹监测传感器是结构健康监测系统的重要组成部分，研发易于同结构集成、灵敏度高，能够在苛刻环境可靠服役工作的传感器是基于结构健康监测技术损伤容限设计研究的重点。

目前对于飞机关键结构应变的实时监测方案通常是在待测位置直接安装应变传感器，然后实时监测飞机服役过程中关键结构薄弱部位的应变状态。对于无法直接安装应变传感器的位置处应变的预测，大多采用随机布置应变片的方案，无法准确反映飞机结构件的实际应变情况。

基于以上情况，本发明设计了一种回环型测点优化布局模型，能够有效节省应变传感器的数量，同时对飞机关键结构薄弱部位的应变进行实时监测。能够运用各测点测量的数据对待预测位置主应变状态进行合理预测，同时采用该布局方法能够预测出机械零部件关键部位沿各个方向的应变情况，确保机械设备安全可靠地运行。

发明内容

本发明提供一种飞机零部件关键部位应变的实时监测方法，基于点位法回环式环氧碳纳米复合薄膜传感器监测各测点数据，对飞机零部件关键部位的应变状态进行合理预测，并及时反馈给操作人员，防止突发事故的产生，确保飞机零部件安全可靠地工作。

本发明的技术方案：

一种飞机复合材料关键结构回环型测点优化布局应变实时监测方法，用于监测飞机零部件关键部位实际应变预测疲劳寿命，通过布置在飞机零件表面各个环氧碳纳米复合薄膜传感器获取各测点处的监测数据，同时基于无线网络协议传至计算机，实现对飞机零部件关键部位的实时监测；

具体如下：

(1)制备回环式环氧碳纳米复合薄膜传感器

环氧碳纳米复合薄膜传感器，包括碳纳米管保护层和回环式环氧碳纳米薄膜层，碳纳米管保护层包裹在回环式环氧碳纳米薄膜层的上下表面；回环式环氧碳纳米薄膜层包括铜丝和在铜丝外表面的碳纳米管负载层，多个内外排布的回型式或环型式薄膜感应通道，通道两端分别为薄膜接地源和薄膜电流源，二者间存在电势差；

环氧碳纳米复合薄膜传感器的总电阻是由碳纳米管自身的本征电阻R

R＝αR

其中：α、β为比例因子，常数；

α为比例因子,取值范围为0.099～0.199；

β为比例因子,取值范围为0.901～0.801；

R

R

其中：ρ为电阻率；L为电阻丝长度；S为电阻截面积；

根据理论Neugebauer-webb理论，碳纳米管接触电阻R

其中：h为厚度；k为高度系数，取值范围为1.1～1.9；d为碳纳米管中心距离；

检测电阻相对于初始电阻的电阻变化率

其中：R

为了更加直观地体现传感器输出电压随裂纹扩展的变化情况，回环式环氧碳纳米复合薄膜传感器的输出信号V

其中：V是环氧碳纳米复合薄膜传感器的实时输出电压值，V

环氧碳纳米复合薄膜传感器对复合材料结构裂纹的监测主要依赖于其自身与结构损伤的一致性；当复合材料发生疲劳损伤时，与结构紧密结合的环氧碳纳米复合薄膜传感器也在相同部位出现裂纹；环氧碳纳米复合薄膜传感器的裂纹随着结构的裂纹不断扩展，引起环氧碳纳米复合薄膜传感器电阻的变化，表现为环氧碳纳米复合薄膜传感器输出电压的变化；因此，通过监测分析环氧碳纳米复合薄膜传感器输出电压的变化反映结构的裂纹损伤情况；从传感器机理分析，回环式环氧碳纳米复合薄膜传感器在裂纹监测前能在恒定电流下保持电位差的稳定输出；

(2)建立结构表面测点优化布置模型

将结构分为两类，结构表面和孔表面，结构表面安放回型式环氧碳纳米复合薄膜传感器，孔表面安放环型式环氧碳纳米复合薄膜传感器；

在测量范围内，构建由若干个回型式环氧碳纳米复合薄膜传感器或环型式环氧碳纳米复合薄膜传感器组成监测传感网络，监测传感网络呈坐标轴，横轴为X轴、纵轴为Y轴，X轴和Y轴各为一个分支；各分支上环氧碳纳米复合薄膜传感器测点数目相同，两条分支的测点分布规律相同，通过导线将各个环氧碳纳米复合薄膜传感器相连通；相邻两个环氧碳纳米复合薄膜传感器的高电势和低电势相连通；当环氧碳纳米复合薄膜传感器监测到裂纹时，输出信号开始变化；对裂纹长度进行定量监测，裂纹长度从0开始扩展；裂纹扩展时环氧碳纳米复合薄膜传感器的电压分布将发生变化，随着裂纹长度的增加而出现阶梯状上升；将裂纹变化长度与输出电压变化建立对应关系，通过分析格栅式薄膜传感器的输出电压判断裂纹的产生及裂纹长度。

本发明的有益效果：针对飞机零部件提出了一种回环型环氧碳纳米复合薄膜传感器并优化测点布局的方法，既提高精度、节省传感器数量，又保证对飞机设备进行安全性监测。另外，提出飞机零部件关键部位监测模型，可以运用此模型在已测数据的基础上实现对飞机零件的关键部位危险点的疲劳寿命进行合理预测，此外运用建立的传感网络可以预测出飞机零部件关键部位沿各个方向的裂纹萌生与扩展情况，确保飞机设备安全可靠地工作。

附图说明

图1是无孔回型式环氧碳纳米复合薄膜传感器。

图2是含孔环型式环氧碳纳米复合薄膜传感器。

图3是无孔回型式测点分布模型。

图4是含孔环型式测点分布模型。

图中：1无孔回型式薄膜感应通道；2无孔回型式薄膜连接通道；3无孔回型式薄膜接地源；4无孔回型式薄膜电流源；5含孔环型式薄膜感应通道；6含孔环型式薄膜连接通道；7导线。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

一种飞机复合材料关键结构回环型测点优化布局应变实时监测方法，用于监测飞机零部件关键部位实际应变预测疲劳寿命，通过布置在飞机零件表面各个环氧碳纳米复合薄膜传感器获取各测点处的监测数据，同时基于无线网络协议传至计算机，实现对飞机零部件关键部位的实时监测；

具体如下：

(1)制备回环式环氧碳纳米复合薄膜传感器

环氧碳纳米复合薄膜传感器，包括碳纳米管保护层和回环式环氧碳纳米薄膜层，碳纳米管保护层包裹在回环式环氧碳纳米薄膜层的上下表面；回环式环氧碳纳米薄膜层包括铜丝和在铜丝外表面的碳纳米管负载层，多个内外排布的回型式或环型式薄膜感应通道，通道两端分别为薄膜接地源和薄膜电流源，二者间存在电势差；

根据真空抽滤法制备碳纳米管薄膜，其工艺流程包括研磨、搅拌、超声、抽滤、干燥等工艺流程。如图1、图2制备回环式薄膜传感器。

1)用电子称量仪称取碳纳米管倒入曲拉通X-100试剂中研磨，然后倒入去离子水溶液均匀混合搅拌。

2)将碳纳米管混合水溶液试管放入超声波粉碎仪进行超声处理。

3)将超声波粉碎仪中的碳纳米管混合液体置于台式离心机，进行离心处理。

4)将离心处理后的溶液放入真空抽滤机，抽滤后得到碳纳米管薄膜。

5)将真空抽滤处理的碳纳米管薄膜放入真空干燥箱，调节温度加热。

通过真空抽滤法制备完成的碳纳米管薄膜整体呈黑色片状，表面较为光滑没有明显的裂纹，具有一定的粘合性柔韧性较高，可以承受高温下弯曲变形。

碳纳米管薄膜中，薄膜总电阻是由于碳纳米管自身的本征电阻R

R＝αR

其中：α、β为比例因子(常数)；

α为比例因子,取值范围为0.099～0.199；

β为比例因子,取值范围为0.901～0.801；

R

R

其中：ρ为电阻率；L为电阻丝长度；S为电阻截面积。

根据理论Neugebauer-webb理论，碳纳米管接触电阻R

其中：h为厚度；k为高度系数,取值范围为1.1～1.9；d为导电碳纳米管中心距离。

检测电阻相对于初始电阻的电阻变化率

其中：R

为了更加直观地体现传感器输出电压随裂纹扩展的变化情况，本文将回环式碳纳米复合薄膜传感器的输出信号V

其中：V是传感器的实时输出电压值，V

环氧碳纳米复合薄膜传感器对复合材料结构裂纹的监测主要依赖于其自身与基体结构的损伤一致性。当复合材料发生疲劳损伤时，与基体紧密结合的碳纳米薄膜传感层也在相同部位出现裂纹。传感器上的裂纹随基体裂纹不断扩展，引起传感器电阻的变化，表现为传感器输出电压的变化。因此，通过监测分析传感器输出电压的变化反映基体结构的裂纹损伤情况。从传感器机理分析，回环式环氧碳纳米复合薄膜传感器在裂纹监测前应能在恒定电流下保持电位差的稳定输出。

(2)建立结构表面测点优化布置模型

将结构分为两类，结构表面和孔表面，结构表面安放回型式环氧碳纳米复合薄膜传感器，孔表面安放环型式环氧碳纳米复合薄膜传感器；

在测量范围内，构建由若干个回型式环氧碳纳米复合薄膜传感器或环型式环氧碳纳米复合薄膜传感器组成监测传感网络，监测传感网络呈坐标轴，横轴为X轴、纵轴为Y轴，X轴和Y轴各为一个分支；各分支上环氧碳纳米复合薄膜传感器测点数目相同，两条分支的测点分布规律相同，通过导线将各个环氧碳纳米复合薄膜传感器相连通；相邻两个环氧碳纳米复合薄膜传感器的高电势和低电势相连通；当环氧碳纳米复合薄膜传感器监测到裂纹时，输出信号开始变化；对裂纹长度进行定量监测，裂纹长度从0开始扩展；裂纹扩展时环氧碳纳米复合薄膜传感器的电压分布将发生变化，随着裂纹长度的增加而出现阶梯状上升；将裂纹变化长度与输出电压变化建立对应关系，通过分析格栅式薄膜传感器的输出电压判断裂纹的产生及裂纹长度。

模型说明：

(1)对传感器进行标定，将每条通道进行分级处理。

(2)间接预测模型通过每条通道输出信号，间接预测待测点的电压与裂纹长度等效关系，然后采对每条通道预测结果进行处理。

(3)由于飞机零部件实际工作环境以及结构可能复杂多变，因此间接预测模型在进行预测时在合理的范围内可能存在一定误差。

(4)在结构允许条件下适当增加通道数目可显著提高预测精确度。