一种应用于结构损伤监测的新型应力波因子

    1　引言

    蜂窝夹层结构具有比常规金属更高的比强度,较高的结构阻尼,较好的吸音和耐声振疲劳以及良好的气动外形等性能,这种结构是目前复合材料在飞机上应用的主要形式。例如,波音767飞机的方向舵采用碳纤维复合材料面板的蜂窝结构,F-16战斗机的垂直安定面、垂尾前缘、平尾等处均采用了蜂窝结构[1]。然而,蜂窝夹层结构的破坏形式较复杂,主要有脱粘、面板冲击、疏松、气孔含量大、芯短、夹层压瘪等。对蜂窝夹层结构来讲,胶层损伤较难发现。由于蜂窝夹层结构的剪切强度不仅取决于蜂窝芯的刚度,而且还取决于蜂窝芯与面板之间的胶接强度,因此脱层损伤是一种重要的缺陷形式。目前用于复合材料结构无损检测的方法对飞机中的蜂窝夹层结构损伤的检测都是非在线和局部的,由于损伤难以用肉眼确定位置,因此采用这些方法费工费时,成本也较高,而且不能实时在线检测,会使很多损伤不能及时发现、维修。

    应力波因子技术又称声-超声技术是近几年发展起来的评估复合材料损伤的新技术。其基本原理是采用压电换能器或激光照射等手段在复合材料表面激发询问脉冲应力波,与此同时再利用压电换能器或光干涉仪在材料同一表面的其他一个或多个地方接受应力波信号,在此基础上通过信号分析确定反映材料对应力波传播效率的应力波因子,从而来表征材料的机械性能或损伤状态的变化[2]。应力波因子技术属于材料的完整性评估技术,该技术将有可能将传统离线、静态、被动的材料及结构的损伤监测,转变为在线、动态、实时检测,具有深远意义。所以,自应力波因子技术提出以来,欧美等国就开展了大量的研究工作。目前国内在这方面的基础研究和实验技术水平处于起步阶段。

    “应力波因子(SWF)”是一个广义术语,有不同的计量方法和定义。关键是它要能度量应力波在材料中的传播效率,从而评估材料的健康状况。

    本文根据应力波在蜂窝材料中传播的特点,在传统的峰值应力波因子的基础上,首次提出了一种基于最小二乘法拟合处理的应力波因子提取技术,以剔除传播距离对监测波形峰值的影响,突出损伤的作用,提高了判别损伤的可信度。实验结果表明,该应力波因子不但可以对蜂窝夹层结构中的损伤实现主动、在线监测,而且还能表征损伤的程度。

    2　峰值应力波因子的改进

    应力波因子技术的关键是提取并量化包含于应力波中有关材料性能的信息,即通过定义“应力波因子”来表征应力波在材料传播的相对效率,通过分析应力波因子来评估材料结构的健康状况。从模式识别的角度来看,应力波因子技术实际上是对采集的应力波信号进行特征提取。将处于高维空间的样本(即实验中采集的原始应力波信号),通过映射或变换的方法可以用低维空间来表示原有样本(即且一维的应力波因子就表征了原始应力波信号的特征)。目前,已提出了许多不同的应力波因子计算公式,用于精化计量和描述不同损伤产生的结果。如:峰值应力波因子,振铃应力波因子,权振铃应力波因子,能量积分应力波因子以及频谱(统计)方法[3]。