柳敏靜，夏梓旭，李建樂(lè)，武湛君，高東岳

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.中山大學(xué) 航空航天學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

在隔熱層粘接結(jié)構(gòu)中,脫粘和裂紋缺陷是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要形式，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)是保證結(jié)構(gòu)安全工作的重中之重[1]。近年來(lái),應(yīng)用背向瑞利散射技術(shù)的分布式光纖傳感器得到了迅速發(fā)展，其測(cè)點(diǎn)連續(xù)且數(shù)量多，能夠進(jìn)行高分辨率的應(yīng)變/溫度測(cè)量，同時(shí)具有空間尺寸小、柔性好等特點(diǎn)，適用于結(jié)構(gòu)局部需要進(jìn)行高密度測(cè)量的情況。因此，分布式光纖傳感器適用于測(cè)量高密度連續(xù)分布的情況[2]。

近年來(lái)，監(jiān)測(cè)脫粘的手段越來(lái)越多，超聲導(dǎo)波檢測(cè)[3]、X線(xiàn)檢測(cè)[4]、微波檢測(cè)[5]、激光全息照相檢測(cè)和散斑錯(cuò)位成像[6]等均可以用來(lái)監(jiān)測(cè)脫粘情況。但以上無(wú)損檢測(cè)技術(shù)均需要結(jié)構(gòu)處于離線(xiàn)狀態(tài)，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，成本較高，面對(duì)大型結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)評(píng)估工作，傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有一定的局限性。針對(duì)大型結(jié)構(gòu)防熱層損傷診斷的需求，單一男等[7]使用分布式光纖傳感器對(duì)隔熱結(jié)構(gòu)的脫粘進(jìn)行了承載條件下的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)比了不同尺寸脫粘的應(yīng)變分布情況，證明了基于分布式光纖傳感器的異常檢測(cè)技術(shù)在多層結(jié)構(gòu)脫粘缺陷識(shí)別工作中的有效性；Wong等[8]將分布式光纖傳感器粘貼在碳纖維板表面，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)監(jiān)測(cè)應(yīng)變變化，證明分布式光纖傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展方面有廣闊的應(yīng)用前景，且能夠增強(qiáng)對(duì)局部損傷的檢測(cè)。

實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)的損傷是多樣性的，因此,在同一區(qū)域內(nèi)對(duì)不同損傷形式的分別定位與區(qū)分是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)邁向?qū)嵱玫年P(guān)鍵問(wèn)題。本文以酚醛樹(shù)脂板加鋁合金板的多層結(jié)構(gòu)試件作為研究對(duì)象，在受彎曲載荷的環(huán)境中，利用分布式光纖傳感器對(duì)含有脫粘和裂紋缺陷的多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別。利用懸臂梁加載裝置，對(duì)布設(shè)有分布式光纖傳感器且含有初始脫粘和裂紋缺陷的酚醛樹(shù)脂板和鋁合金板膠粘結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。利用有限元模擬得到的脫粘、裂紋區(qū)域應(yīng)變規(guī)律建立損傷分類(lèi)的專(zhuān)家系統(tǒng)，識(shí)別出該試件的損傷區(qū)域。最終，在損傷識(shí)別試驗(yàn)中驗(yàn)證了本方法的有效性。

1 測(cè)量原理

分布式光纖傳感器是基于背向瑞利散射技術(shù)的一種新型傳感器，它使用光頻域反射原理對(duì)分布式光纖傳感器的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。光纖的測(cè)量系統(tǒng)通常包含一個(gè)主動(dòng)監(jiān)測(cè)單元，用來(lái)與被動(dòng)式測(cè)量的光纖進(jìn)行連接，向光纖發(fā)射激光信號(hào)。光纖中傳播激光的某些屬性可以處理為光纖上所承受應(yīng)變/溫度的函數(shù)。光纖傳感器中物理參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部散射光的可測(cè)量變化，當(dāng)與散射光的參考量進(jìn)行對(duì)比時(shí)，可以推得測(cè)量時(shí)光纖的物理狀態(tài)。這個(gè)物理狀態(tài)特指作用在光纖上的溫度和應(yīng)變的耦合作用效果。使用光頻域反射原理分析背向瑞利散射光時(shí)，將其作為光纖上與位置有關(guān)的函數(shù)。當(dāng)光纖所處的外界環(huán)境的溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖局部會(huì)在空間上被壓縮或拉伸，導(dǎo)致局部光信號(hào)的瑞利散射發(fā)生變化[9]。

由應(yīng)變?chǔ)呕驕囟萒響應(yīng)得到光譜漂移，其類(lèi)似于共振波的漂移Δγ或布喇格光柵的光譜漂移Δω[10]為

(1)

式中：γ,ω分別為平均光波長(zhǎng)和頻率；KT,Kε分別為溫度和應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)；ΔT為溫度變化量。

2 懸臂梁加載時(shí)脫粘和裂紋區(qū)域的應(yīng)變規(guī)律

根據(jù)材料力學(xué)應(yīng)變的計(jì)算方法，板粘接結(jié)構(gòu)中，在受懸臂梁彎曲載荷時(shí)，層間任意位置的ε為

(2)

式中：F為懸臂梁加載端載荷力；L為加載位置和應(yīng)變位置的距離；E為材料的彈性模量；IZ為豎直方向的慣性矩。

若彎曲時(shí)平面假設(shè)成立，則無(wú)缺陷處應(yīng)變呈連續(xù)、線(xiàn)性變化,缺陷處可認(rèn)為結(jié)構(gòu)的剛度驟減，導(dǎo)致該處的彈性模量減小，故該位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變重分布的情況。具體分布規(guī)律采用有限元模擬進(jìn)行分析。

建立模擬模型如圖1所示。模型為鋁板(上)+膠層(中)+酚醛樹(shù)脂板(下)3層。為了模擬脫粘現(xiàn)象，模擬時(shí)將脫粘區(qū)域的膠層實(shí)體切掉，且在膠層內(nèi)設(shè)置為空白區(qū)域20 mm×30 mm，以模擬脫粘情況，同時(shí)在鋁板上設(shè)置了非貫穿裂紋，裂紋和脫粘缺陷分別布設(shè)在夾層和鋁合金底板不同側(cè)，避免相互間的影響，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。

圖1 有限元模型

在復(fù)合材料加持端結(jié)束部位設(shè)置固定約束，在另一自由端設(shè)置垂直于平面、大小為30 N的分布載荷。

在懸臂加載條件下，復(fù)合材料層合板長(zhǎng)度方向的應(yīng)變場(chǎng)如圖2所示。層間的應(yīng)變場(chǎng)如圖3所示。從圖2、3可看出裂紋與脫粘損傷處應(yīng)變場(chǎng)的變化，為了進(jìn)一步研究光纖所測(cè)數(shù)值趨勢(shì)的變化，通過(guò)損傷區(qū)域的應(yīng)變分布如圖4、5所示。

圖2 長(zhǎng)度方向應(yīng)變場(chǎng)

圖3 層間應(yīng)變場(chǎng)

圖4 脫粘路徑應(yīng)變分布

圖5 裂紋路徑應(yīng)變分布

由圖4、5可知，在懸臂梁加載條件下，脫粘區(qū)域的應(yīng)變規(guī)律表現(xiàn)為含有兩個(gè)突變峰的中心對(duì)稱(chēng)分布，裂紋區(qū)域應(yīng)變規(guī)律表現(xiàn)為兩側(cè)數(shù)值增大,中間數(shù)值減小的雙峰圖形。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

采用酚醛樹(shù)脂板與鋁合金粘接結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)對(duì)象，布置初始脫粘和裂紋缺陷，以有限元模擬結(jié)果為參考，用來(lái)測(cè)試光纖傳感器對(duì)脫粘和裂紋損傷位置的應(yīng)變響應(yīng)。試驗(yàn)對(duì)象模型如圖6所示。光纖布設(shè)方式采取環(huán)繞式分布(見(jiàn)圖7)，將光纖布設(shè)在酚醛樹(shù)脂板上。布設(shè)好光纖后需要以光纖結(jié)構(gòu)為零點(diǎn)，對(duì)脫粘和裂紋位置進(jìn)行標(biāo)定。

圖6 試驗(yàn)對(duì)象模型

圖7 光纖布設(shè)路徑

3.2 試驗(yàn)裝置

試件置于干凈水平桌面上，光纖與設(shè)備連接后進(jìn)行懸臂梁加載實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國(guó)Luna公司的ODiSI分布式光纖傳感系統(tǒng)(見(jiàn)圖8)，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。該系統(tǒng)能在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)各工況進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。

圖8 ODiSI-A50光纖解調(diào)儀

表1 測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

試件的一端固定在懸臂梁固支端，另一端將光纖傳感器連接到光纖解調(diào)儀上，待試件穩(wěn)定后進(jìn)行懸臂梁加載試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

取未加載狀態(tài)為初始狀態(tài)作為試驗(yàn)基準(zhǔn)，加載載荷為30 N，采集加載后試件的應(yīng)變數(shù)據(jù)，多次測(cè)量保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，取其中第3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成的應(yīng)變曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 加載狀態(tài)下試件應(yīng)變

圖10中共有6段線(xiàn)性變化，與環(huán)繞式布設(shè)3圈光纖相符。光纖路徑穿過(guò)損傷區(qū)域，參考有限元分析所得的脫粘和裂紋趨勢(shì)，在圖10中可觀測(cè)到相同的趨勢(shì)，推測(cè)該趨勢(shì)所處位置應(yīng)為布設(shè)損傷的位置，與試驗(yàn)前標(biāo)定的損傷坐標(biāo)對(duì)比如表2、3所示。

表2 脫粘節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

表3 裂紋節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

由表2、3可知，試驗(yàn)后根據(jù)模擬趨勢(shì)確定的脫粘位置與試驗(yàn)前標(biāo)定的損傷位置基本一致，但試驗(yàn)后位置有10 mm內(nèi)的浮動(dòng)，推測(cè)是脫粘和裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)粘接結(jié)構(gòu)脫粘和裂紋的識(shí)別方法展開(kāi)了研究，并利用有限元模擬分析出損傷區(qū)域應(yīng)變規(guī)律，以模擬結(jié)果作為損傷分類(lèi)依據(jù)。利用分布式光纖傳感器對(duì)有初試脫粘和裂紋缺陷的試件進(jìn)行了懸臂梁加載試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量，根據(jù)應(yīng)變分布情況識(shí)別出脫粘和裂紋區(qū)域，且識(shí)別出的位置與標(biāo)定位置一致，驗(yàn)證了脫粘和裂紋區(qū)域應(yīng)變規(guī)律的準(zhǔn)確性和有效性。

綜上所述，根據(jù)結(jié)構(gòu)受載狀態(tài)下的應(yīng)變趨勢(shì)可以判斷試件是否發(fā)生脫粘或裂紋損傷，并對(duì)兩種損傷進(jìn)行定位與分類(lèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。