复合材料分层损伤无损检测研究现状

摘 要：复合材料由于自身轻质、高强的特性广泛应用于航空航天领域中，其内部损伤位置及严重程度极大的影响结构安全状况和承载力要求。为保障航空航天结构的安全性及使用性，复合材料中最常见的分层损伤在无损检测技术也相应得到迅速发展。总结了航空航天复合材料构件无损检测的主要方法， 即：基于顺向问题的无损识别技术及基于逆向问题的无损识别技术。

关键词：复合材料；分层损伤

目前，针对所有含有分层损伤的结构的无损检测方法，均可以被划分为2种类别：基于顺向问题（direct problem）的无损识别技术，即在结构损伤位置的情况下，对结构损伤的严重程度进行评估；基于逆向问题（inverse problem）的无损识别技术，即通过含有分层损伤的结构的波动或振动，用于探测结构损伤位置。

1 基于顺向问题的无损识别技术

基于顺向问题的无损识别技术，可用于对复合材料进行无损检测的技术方法主要有超声检测法、声发射检测法、声-超声检测法、射线检测法、热成像检测法、微波检测法、涡流法和液体渗透检测法多种技术。其中超声检测法操作简单、检测灵敏度高、可精确确定缺陷位置与分布，但是使用该方法通常需要耦合剂，不同类型缺陷要使用不同的探头；声发射检测法对动态缺陷敏感，只需要接收传感器，但是使用该方法对静态缺陷不敏感，损伤信号与噪声信号较难区分；声-超声检测法适用于材料的完整性评估，但是使用该方法对单个、分散缺陷不敏感，噪声对损伤信号影响较大；射线检测法灵敏度高、检测结果直观，但是使用该方法对人体有害，操作者必须经过专门培训，需要图像处理设备；热成像检测法设备简单、操作方便、可提供全场图像，但是使用该方法要求工件表层有较好的热吸收率，传热效率好；微波检测法非接触，穿透能力强，但是使用该方法不适用于介电损耗大的材料；涡流检测法虽然快速、简单，但是该方法只适用于导电材料；液体渗透检测法简便、可靠、快速，但是使用该方法检测前必须清洁工件，渗透液和显影液有污染。

当前，基于顺向问题的无损检测方法存在的主要问题包括：单一检测方法难以实现对各类缺陷的检测， 航空航天复合材料产品的缺陷检测和质量评级往往需要多种检测方法相结合才能完成。

2 基于逆向问题的无损识别技术

基于逆向问题的无损识别技术，其原理为：结构损伤导致结构的整体刚度降低，结构模态参数的大小也会因整体刚度的降低而减小，模态参数的降低程度与结构损伤的严重程度、所处位置相关，通过测量完好结构与受损结构某一模态参数在振动响应上的变化，应用无损探测技术逆向预测结构受损位置，然后对结构损伤的受损严重程度通过无损检测方法进行物理参数上的测量。基于振动的方法又可以进一步分为基于模型和无模型两种识别方法。

有模型的无损识别技术的原理为：通常采用有限元方法对结构进行建模，通过改变结构有限元模型的参数来模拟不同程度损伤的发生。将实际测量分析得到的结果与有限元分析的结果相比较，损伤的位置和程度就可以确定，即可以得到大概的结构损伤位置区域。若引入可以定义模态参数的函数，如损伤位置置信度（DLAC）、模态置信度（MAC），可以将损伤引起的模态参数变化进行放大比较，从而提高对结构损伤位置预测的精确性及可靠性。

Qiao等将智能压电材料应用在复合材料结构试验中，基于结构振动后的曲率模态（curvature mode shapes），分别研发了三种方法，即gapped smoothing method（基于拟合曲线与实际测量值误差以判定损伤位置的方法）、generalized fractal dimension method（广义分维谱法）和strain energy method（应变能法），对分层损伤位置进行预测。经过对比试验结果，Qiao等得出结论：三种探测技术配合不同的测试材料均可以有效预测复合材料结构中分层损伤位置。

无模型的无损识别技术的原理为：直接从结构的振动响应信号中提取特征信息，建立损伤指标，与损伤的 发生、位置和程度联系起来，实现对损伤的识别。庄小燕和陈浩然基于根据Mindlin板理论，通过分层区域与无分层区域的节点几何协调条件建立了含有分层损伤的复合材料薄板结构模型，然后应用反向传播Back Propagation（BP）神经网络确定复合材料薄板结构分层损伤位置。党晓娟等针对复合材料薄板结构的分层损伤，以同一区域的两层壳单元的设置方式模拟分层损伤，利用互相关函数幅值向量置信度准则（Correlation function amplitude Vector Assurance Criterion）来衡量结构互相关函数幅值的变化，通过有限元模型结合数学统计原理的方式，完成对悬臂层合板上分层损伤位置的预测。

3 结论

综上所述，如果在实施定量测量的无损探测技术之前，如超声检测法等，首先对结构实施可以定位分层损伤位置的无损识别技术，如基于模型和无模型两种识别方法，对于提高检测复合材料内部分层损伤的效率及精确度有着重要的意义。随着针对分层损伤无损识别技术的迅速发展，展望以后的无损检测技术可以实现对结构的实时连续在线监测，准确识别出结构中损伤的位置和程度，保证结构的安全使用。

参考文献：

[1]唐见茂.航空航天复合材料发展现状及前景[J].航天器环境工程，2013， 30（4）： 352-359.

[2]庄小燕，陈浩然.基于频率和阻尼分析的含分层损伤复合材料层合板的损伤诊断[J].复合材料学报，2005，22（6）： 150-155.

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