復(fù)合材料損傷的 OFDR 光纖傳感檢測方法

  ICC訊   復(fù)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(yīng)用于航空航天、機械裝備與土木工程等領(lǐng)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(fù)材成型過程中，預(yù)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(fù)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。基于OFDR技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，是實現(xiàn)復(fù)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(shù)在復(fù)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(fù)合材料板為研究對象，在其表面布設(shè)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(shè)：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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)。其中，前三個峰值及附近區(qū)域應(yīng)變呈連續(xù)平滑變化，對應(yīng)全膠固定段光纖，該段耦合狀態(tài)良好、應(yīng)變傳遞連續(xù)；

  后三個峰值及周邊應(yīng)變呈現(xiàn)明顯階躍式變化，對應(yīng)點膠固定段光纖，由局部約束差異導(dǎo)致應(yīng)變響應(yīng)突變。各應(yīng)變峰的相對位置與復(fù)合材料板內(nèi)部損傷位置完全一致，證明OFDR設(shè)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(fù)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(yīng)變測量結(jié)果

  出現(xiàn)兩種不同曲線特征的原因在于：復(fù)合材料受豎向載荷發(fā)生形變時，點膠布設(shè)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(yīng)變；而全膠布設(shè)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(yīng)變值。

  # 三維展示案例

  OFDR光纖傳感技術(shù)作為一種無損檢測手段，應(yīng)用于復(fù)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(yīng)變場的實時三維可視化展示，更直觀、便捷地定位復(fù)合材料損傷位置。

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

  圖 4 復(fù)材實物圖

  圖 5 加載仿真圖

  圖 6 三維展示應(yīng)變場

  # 總結(jié)

  本次試驗結(jié)果表明，基于OFDR技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)在復(fù)合材料損傷檢測中優(yōu)勢顯著。該技術(shù)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(yīng)變場直觀呈現(xiàn)，大幅提升監(jiān)測效率與可讀性。