復(fù)合材料損傷的 OFDR 光纖傳感檢測(cè)方法

  ICC訊   復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)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(jī)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(diǎn)，內(nèi)部極易產(chǎn)生隱蔽損傷，例如在復(fù)材成型過(guò)程中，預(yù)浸料表面處理不潔凈、內(nèi)部殘留空氣層等，都會(huì)形成初始缺陷。這類缺陷在結(jié)構(gòu)表面通常無(wú)明顯跡象，往往在長(zhǎng)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(lái)隱患。

  因此，在復(fù)合材料健康監(jiān)測(cè)中，需及時(shí)確定損傷位置并實(shí)時(shí)跟蹤損傷演化趨勢(shì)?；贠FDR技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷無(wú)損、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效方法。

  # 測(cè)試案例

  為驗(yàn)證分布式光纖傳感技術(shù)在復(fù)合材料隱蔽損傷識(shí)別中的有效性，本次試驗(yàn)以一塊外觀無(wú)缺陷的樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板為研究對(duì)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(diǎn)膠固定，形成兩種不同耦合狀態(tài)的監(jiān)測(cè)路徑。試驗(yàn)時(shí)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(guò)OSI-S分布式光纖傳感系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(yàn)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(gè)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(kuò)展過(guò)程高度對(duì)應(yīng)。其中，前三個(gè)峰值及附近區(qū)域應(yīng)變呈連續(xù)平滑變化，對(duì)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(gè)峰值及周邊應(yīng)變呈現(xiàn)明顯階躍式變化，對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(duì)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(zhǔn)識(shí)別損傷區(qū)域、定位損傷位置，并實(shí)時(shí)反映損傷隨載荷的擴(kuò)展趨勢(shì)，為復(fù)合材料損傷監(jiān)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

圖3不同外力時(shí)樣品板應(yīng)變測(cè)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(shí)，點(diǎn)膠布設(shè)的光纖未與結(jié)構(gòu)表面完全貼合，無(wú)法與被測(cè)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形，兩點(diǎn)膠點(diǎn)之間的光纖處于自由狀態(tài)，難以準(zhǔn)確反映各位置的真實(shí)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(shí)、連續(xù)地反映各處的實(shí)際應(yīng)變值。

  # 三維展示案例

  OFDR光纖傳感技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)手段，應(yīng)用于復(fù)合材料損傷檢測(cè)具有精度高、可連續(xù)跟蹤測(cè)量等突出優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變場(chǎng)的實(shí)時(shí)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維展示軟件后，可重構(gòu)出整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場(chǎng)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(chǎng)云圖，便于實(shí)時(shí)、清晰地監(jiān)控復(fù)合材料成型或加載全過(guò)程。

  圖 4 復(fù)材實(shí)物圖

  圖 5 加載仿真圖

  圖 6 三維展示應(yīng)變場(chǎng)

  # 總結(jié)

  本次試驗(yàn)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(cè)中優(yōu)勢(shì)顯著。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度、分布式、無(wú)損化監(jiān)測(cè)，能夠準(zhǔn)確定位隱蔽損傷位置、實(shí)時(shí)跟蹤損傷擴(kuò)展趨勢(shì)；配合三維可視化軟件，可將應(yīng)變場(chǎng)直觀呈現(xiàn)，大幅提升監(jiān)測(cè)效率與可讀性。