基于有限元法的飞机复合材料结构健康监测

贺 军，丛芳林，杨飞远，曹 猛

（1. 沈阳航空航天大学，航空宇航学院，辽宁 沈阳 110136；2. 沈阳航空航天大学，民用航空学院，辽宁 沈阳 110136；3. 沈阳坦择实业有限公司，辽宁 沈阳 110041）

碳纤维增强铝合金层合板（CARAL）是一种由碳纤维和铝合金交替铺叠而成的航空用复合材料[1]。碳纤维金属复合材料凭借优秀的结构力学性能及其可设计性等技术优势在工业领域有着大量的应用，然而这种复合材料在其生产设计和制造的过程中往往会受到复杂的生产工艺及其它的环境因素等的影响往往也会因而产生一些缺陷在其制造、工作的过程中也会有可能因受到加工、腐蚀或长期受载等各种自然原因影响而导致的损伤[2，3]。因此在对复合材料的结构性在服役的过程中定期进行实时的健康风险监测对于有效地保证其的安全性和其整体的性能来说十分必要，也同样能有效地防止因复合材料结构性疲劳损伤引起的事故发生[4-6]。本文主要提出一种对疲劳电阻损伤的位置试样进行检测和识别的疲劳电阻损伤试样检测的方法，通过进行试验性的疲劳检测，采用多种方法进行实验对损伤位置和损伤的大小进行疲劳损伤的检测,并对准确性和实验结果的可靠性进行了分析，指出损伤的位置和损伤大小对疲劳电阻的直接影响。

1 飞机复合材料结构健康监测模型

复合材料被广泛运用在航空航天中，由于这种材料的失效机理复杂需要先进的技术来评估结构完整性。大多传统的无损检测技术，如超声C 扫描、涡流等技术都不是实时监测，而是需要将目标停用[7-9]。结构健康监测（SHM）寻求以连续实施无损检测的方式将传感器集成到结构中。目前 SHM 技术中除了使用应变电阻片和光纤传感器等常见传感器外,开始越来越多地使用压电传感器[10-11]。本文借助碳纤维和铝合金的导电性能，建立模型如图1 所示。

2 结构健康监测结果及分析

本文主要建立一个模型，并在此模型的基础上通过打孔的方式模拟损伤。并且在通过改变孔的位置及大小的同时，监测如图1 所示结构的电势变化，以此来判断整体结构是否损伤及损伤的情况。孔1，孔2，孔3 逐渐向工件中心靠近，也就是损伤位置越来越深；孔3，孔4，孔5 直径逐渐越来越大，也就是在中心位置的损伤大小越来越大。

2.1 损伤位置对CARAL 结构健康检测结果的影响

随损伤位置变化，CARAL 结构的电势及电势差变化结果如表1 所示。含有损伤的CARAL 结构的两点即两端的电势差均比无损伤结构的电势差大。但是随着损伤孔的变化，即损伤逐渐向工件中心靠近，电势差无明显变化。这就表明借助结构本身的导电性，通过测试电势差的方式进行结构健康监测可以监测出有无损伤的存在，但是对于损伤位置的变化不敏感。

表1 CARAL 结构电势随损伤位置变化结果

2.2 损伤大小对CARAL 结构健康检测结果的影响

存在于结构中的损伤的大小对结构电势的影响结果如图2所示。可以看出，在中心位置含有损伤的情况下，结构的电势大于无损伤结构。即如上一小节所述的，对于有无损伤有敏感性。孔的直径即损伤程度的变化会导致结构的电势差发生明显变化。变化规律为，CARAL 结构的电势差随损伤程度变大而变大。这表明借助材料本身导电性能可以对损伤的大小情况进行结构健康监测。

表2 CARAL 结构电势随损伤大小变化结果

3 结束语

本文首先对CARAL 结构进行建模，并通过打孔的方式模拟损伤，然后利用材料的导电性，通过整体电势的变化来进行结构健康监测。结果表明，含有孔的结构的电势差相对于无损伤结构的电势差明显增大；孔位置的变化不会引起结构电势差发生明显变化；但是孔大小的变化对对电势差造成显著影响。也就是说，借助材料导电性通过电势差变化的方法进行健康监测可以监测有无损伤和损伤的严重程度，但是无法监测损伤的位置发生在何处。