復合材料損傷的 OFDR 光纖傳感檢測方法

  ICC訊   復合材料具有輕質(zhì)、高強度、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)良特性，現(xiàn)已廣泛應用于航空航天、機械裝備與土木工程等領域。但由于其非均質(zhì)、各向異性的結(jié)構(gòu)特點，內(nèi)部極易產(chǎn)生隱蔽損傷，例如在復材成型過程中，預浸料表面處理不潔凈、內(nèi)部殘留空氣層等，都會形成初始缺陷。這類缺陷在結(jié)構(gòu)表面通常無明顯跡象，往往在長期使用中，經(jīng)碰撞、沖擊、疲勞累積等作用后，才逐步發(fā)展為明顯的裂紋、分層等損傷，給結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。

  因此，在復合材料健康監(jiān)測中，需及時確定損傷位置并實時跟蹤損傷演化趨勢?；贠FDR技術的分布式光纖傳感系統(tǒng)，是實現(xiàn)復合材料內(nèi)部缺陷無損、精準、動態(tài)監(jiān)測的有效方法。

  # 測試案例

  為驗證分布式光纖傳感技術在復合材料隱蔽損傷識別中的有效性，本次試驗以一塊外觀無缺陷的樹脂基纖維增強復合材料板為研究對象，在其表面布設一根聚酰亞胺涂層分布式光纖。

  光纖采用兩路平行方式布設：一路采用全膠固定，另一路以10cm間距點膠固定，形成兩種不同耦合狀態(tài)的監(jiān)測路徑。試驗時將試樣兩端剛性固定，在中間區(qū)域緩慢施加豎向載荷，使板材逐步向上彎曲變形；通過OSI-S分布式光纖傳感系統(tǒng)，實時采集并記錄不同載荷下板材的應變分布數(shù)據(jù)。

  圖1受力變形后出現(xiàn)明顯損傷的樣品板

  圖2光纖布設圖

  試驗結(jié)果清晰表明，隨著加載力逐步增大，光纖在相同位置連續(xù)出現(xiàn)六個特征應變峰，且峰值隨外力增加持續(xù)升高，與板材內(nèi)部損傷的產(chǎn)生與擴展過程高度對應。其中，前三個峰值及附近區(qū)域應變呈連續(xù)平滑變化，對應全膠固定段光纖，該段耦合狀態(tài)良好、應變傳遞連續(xù)；

  后三個峰值及周邊應變呈現(xiàn)明顯階躍式變化，對應點膠固定段光纖，由局部約束差異導致應變響應突變。各應變峰的相對位置與復合材料板內(nèi)部損傷位置完全一致，證明OFDR設備可精準識別損傷區(qū)域、定位損傷位置，并實時反映損傷隨載荷的擴展趨勢，為復合材料損傷監(jiān)測提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖3不同外力時樣品板應變測量結(jié)果

  出現(xiàn)兩種不同曲線特征的原因在于：復合材料受豎向載荷發(fā)生形變時，點膠布設的光纖未與結(jié)構(gòu)表面完全貼合，無法與被測結(jié)構(gòu)協(xié)同變形，兩點膠點之間的光纖處于自由狀態(tài)，難以準確反映各位置的真實應變；而全膠布設的光纖與結(jié)構(gòu)表面耦合充分，能夠真實、連續(xù)地反映各處的實際應變值。

  # 三維展示案例

  OFDR光纖傳感技術作為一種無損檢測手段，應用于復合材料損傷檢測具有精度高、可連續(xù)跟蹤測量等突出優(yōu)勢。系統(tǒng)還可實現(xiàn)應變場的實時三維可視化展示，更直觀、便捷地定位復合材料損傷位置。

  如圖所示，將實測數(shù)據(jù)導入三維展示軟件后，可重構(gòu)出整個復合材料結(jié)構(gòu)的應變場分布，與仿真結(jié)果高度一致。三維展示軟件能夠?qū)碗s的應變曲線轉(zhuǎn)化為直觀的應變場云圖，便于實時、清晰地監(jiān)控復合材料成型或加載全過程。

  圖 4 復材實物圖

  圖 5 加載仿真圖

  圖 6 三維展示應變場

  # 總結(jié)

  本次試驗結(jié)果表明，基于OFDR技術的分布式光纖傳感系統(tǒng)在復合材料損傷檢測中優(yōu)勢顯著。該技術可實現(xiàn)高精度、分布式、無損化監(jiān)測，能夠準確定位隱蔽損傷位置、實時跟蹤損傷擴展趨勢；配合三維可視化軟件，可將應變場直觀呈現(xiàn)，大幅提升監(jiān)測效率與可讀性。