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基于多点光纤光栅传感器的高级网格结构损伤检测
H. Takeya, T. Ozaki, N. Takeda, N. Tajima
三菱电机株式会社先进技术研发中心
日本神奈川县相模原宫下1-1-57
东京大学先进科学研究生院
日本千叶县柏校区302邮箱
日本未来工业用金属和复合材料的研究所
日本东京都港区虎门三丁目普利司通虎门大厦25-2
摘要
在飞机系统中，为了实现能源和成本的节约，对轻质量材料有着越来越多的需求。复合材料，如碳纤维复合材料在各种条件上都符合上述要求，是最有潜力的目标。然而，飞机系统对材料的可靠性要求非常高，目前复合材料还没有得到充分的应用，特别是在商业飞机领域。结构健康监测系统是解决这一问题的最有效的技术之一。
作者正在利用光纤布拉格光栅（FBG）传感器系统开发一种新的轻量级的网格结构，用于飞机的健康监测。将光纤光栅传感器嵌入复合材料中进行检测，建立网络结构。在这项研究中，将引入损伤前后系统的应变分布变化进行了对比分析，建立了损伤检测方法。并阐明了损伤检测能力与损伤容限设计强度之间的对应关系。在此基础上，建立了相应的残余强度评估方法，对检测到的损伤程度进行了评价。其次，利用嵌入式光纤光栅传感器的制作一个高度可靠的网格结构的原型，用于对损伤检测能力验证。试样的面板尺寸为525x550mm,29个FBG传感器被嵌入在面板的中心。负载施加在网格板上，利用多点光纤光栅传感器对面板应变进行测量。人为损坏了网格板上一个结构标本并记录损伤的位置，通过比较前面数据和损害的介入后的应变分布，成功检测出了损坏。
关键词：FBG传感器，高级网络结构，损伤识别，应变监测，原型系统
- 简介
在飞机系统中，为了实现能源和节约成本，对轻质量材料有越来越多的需求。复合材料，如石墨纤维增强塑料是有希望的候选人，它满足这样的需求。然而，飞机系统需要非常高可靠性的材料，，复合材料还没有得到充分的应用，特别是商业飞机。在这种情况下，一个结构健康监测系统是最有效的技术，以满足这一要求。作者已开发Highly Reliable Advanced Grid Structure(HRAGS)以应用于飞机。HRAGS是一个新的轻量级网格结构的健康监测系统，配备了光纤布拉格光栅（FBG）传感器。
图1显示了应用于商用飞机HRAGS结构概念。先进的网格结构，是由简单的骨架组成的组合桁架结构。高级的网格结构是有一个模块化的结构组成的。从结构单元的重复，模块本身就像是一个裂纹避雷器。对于这个原因，高级的网格结构是一个的安全结构，其中一个元素的失败不会导致整个结构立即破坏。与传统的结构相比，先进的网格结构具有理论上较为简单的负载路径。在广义的结构中，六个自由度（X，Y，Z，XY，YZ，ZX）必须进行监测，以表征材料所处的结构中各点的应力。另一方面，这是可能实现的，以较小的监测方向的一个先进的网格结构，因此，所需的传感器的数目较大。传感器可以合理地安装在一个结构健康监测系统中，通过简单地嵌入在中间的结构中的光纤光栅传感器组成。此外，由于光纤光栅传感器的直径是125微米，光纤光栅传感器本身的亲和力对轻质层碳纤维复合材料结构是比较高的，嵌入在层压板之间的传感器和附着在层压板上较为简单。利用光纤的长距离传输特性和波分复用技术，可以在结构中形成一个大规模的传感器网络。从这些角度来看，应用光纤光栅传感网络对大型轻型结构，如飞机结构进行结构健康监测，是非常有吸引力的。
在这项研究中，首先确定的分析方法，然后通过评估损伤的应变导致分布的差异建立损伤检测方法。接着，阐明损伤检测能力和损伤容许极限设计强度之间的对应关系。在此基础上，建立了相应的残余强度评价方法，对检测到的损伤程度进行了评价。为测试和验证损伤检测功能，构建了一个基于嵌入式光纤光栅传感器的高度可靠的网格结构。这些研究结果报告如下。
图1-HRAGS概念图
2设计HRAGS系统的技术
2.1结构设计技术发展综述
能否正确设计HRAGS应变分布结构分析模型是首要任务。这涉及到使用现有的结构分析方法进行模拟以及评估及应力应变分布的HRAGS实际上试验制造的优劣之处比较权衡。采用三维有限元作为结构单元的有限元方法（Finite Element Method,FEM ）是考虑分析和模型尺寸精度的理想方法。
接下来的任务是从HRAGS结构中获取信息从用于模拟实际结构HRAGS应变信息损伤。为此，损坏模式估测和产生方式预期HRAGS相结合，对系统进行评价，确定各种损伤应变分布产生干扰的因素以及影响程度。对于影响HRAGS系统的灵敏度和准确性的各种因素进行分析，嵌入在HRAGS骨架中的FBG传感器可能会检测的干扰进行评估。由于光纤光栅本身的灵敏度，信号衰减，嵌入的传感器，应变信号的再现性，温度，湿度，和其他环境因素进行整体评估，并且FBG的光栅波长的有效波长漂移也被认为是影响其准确性的因素。如果这两个影响因素进行比较，可将HRAGS对材料本身的损害限制在可指定大小。
进行最后的事项是确认结构安全特性，以确保存在的这种结构系统的存在所造成的检测的损害不会导致整个结构的直接故障。安全特性还取决于实际使用的结构的形状或大小，以及预期的经营状况，但一般情况下，在较小的损害检测的情况下，可以大幅度损伤容许极限设计值，从而为整体结构的重量进一步减少增加了可能性。
2.2损伤容许极限设计技术的发展
损伤检测是试图从HRAGS所测出的应变分布计算出损伤的位置。图2显示的损伤检测仿真模型，这是一种向四周发展的模型，在等边三角形的6times;9单元网格结构中存在尺寸为500毫米times;500毫米的平面。在一个合适的网格点假设两端简支梁施力后确定出平面网格上的网络结构的应变分布。图2（一）显示出受力点和模拟损伤位置。模拟损伤模拟的是材料完全损坏的情况，由于刚性结构完全损坏，材料已失去应有的作用。在这种情况下，骨架结构的刚度已被假定为零，结构完全失效了。
图2（b）分别显示了面板在无损伤情况下以及模拟损伤情况下的应变分布只。从这些图形数据中可以看出，在有损伤和无损伤是应变分布在轮廓上略有差异。然而，很难指出这些差异已经清楚地表达出来了。由于这个原因，它被用来显示的差分应变分布的模拟损伤与下面的应变分布进行对比，即以没有损害作为参考。图3显示了当加载点位置变化时应变分布产生变化的结果。当加载点发生变化时，可以看出应变分布图与之前的分布图之间的差异，有缺陷的位置被识从而得到了显示。图4显示了受力点和损伤位置之间的变化关系。由于受力点与损伤位置之间的距离增大，在灵敏度上略有下降，但两种损伤识别和位置的检测方法都被证明是正确的
调查也进行了不同的应力加载模式，用以模拟实际的飞机机构，如拉伸载荷和弯曲载荷的悬臂梁的损伤检测。有了这两种检测方式，受力情况的模拟应该是足够的。
图2-损伤监测仿真模型
图3-不同拉伸状态图（损坏点在中心时）
图4-不同拉伸状态图（损坏点在左下角）
下一步，在没有达到完全损坏的损坏程度内进行试验。图5是在损坏的部分的应变的波长曲线图，当损坏的部分导致刚度变化从10%（刚度变化90%为损坏）至100%（完全故障），波长变化如图3所示。从图中可以观察到应变差是50%损坏为100mu;ε，而同样的数值约为10mu;ε则是10%损坏。FBG应变传感器的监测精度是1mu;ε，因此在精度要求上是安全符合要求的。如果这一点被认为是正确的，在10%的伤害的检测可以说是足够用于应用的。
影响嵌入在HRAGS光纤光栅传感器的应变评价精度的因素有：1）HRAGS系统温度的变化；2）在碳纤维材料由于吸湿性而导致的应变；3）由于光纤光栅传感器嵌入的角度变化的敏感性差异。
影响因素1是相当巨大的；在温度相差1°C大致相当于一个10mu;ε。如果在该结构中的应变分布的单位较大，操作过程中自然的温度分布导致的温度分布差异也将是极大的。然而，如果这些单位是一个以几米为单元的顺序并且嵌入在每个骨架的网格结构，一个连续的结构是不可能被放置在一个温度变化较大的环境中的，然后温度的变化可估计为1°C至5°，如果变化假设为5°C、应变评价精度为50mu;ε
影响因素2吸湿性的变化导致从时间到时间的CFRP结构变形问题。众所周知，由于饱和吸湿后复合材料会产生的几十ppm级到几百ppm的变形。然而，在其骨架部分，光纤光栅传感器嵌入单向增强纤维中，变化的绝对值为10 ppm或更小，即使在面板表面，由于HRAGS系统与面板在相同的环境因素下产生变形，吸湿变形数值可以考虑约10ppm左右。由于FBG是被嵌入在一个具有较小宽度的骨架结构中，可以不考虑嵌入方向即影响因素3的导致的偏差，而且对于这种偏差可以在结构初始条件下进行校准。
此外，重复受力作用下的应变读数是否相同也是需要考虑的，实验评估的这段时间中，这种效果被证实，大小约10mu;ε，其大小适当取决于HRAGS结构本身。
如果上述因素都以的平方和的平方根进行评估，然后以温度变化在5°C时偏差约为52mu;ε；温度变化3°C偏差约为33mu;ε；温度变化在1°时偏差约为17mu;ε；如果将这些值绘制在图5中，可以将观察到的损坏程度与检测到的数值之间的关系，30%的损伤程度约在52个mu;ε。如果在应变评价精度的情况不变的情况下精确到下一根骨架，可在将一个17mu;ε应变评价水平确定为20%的损伤水平。
从上面，可以估算的损伤容许极限强度。如果20%的损坏程度可以评估，与该受力的骨架本身失败的1.18/1相比，即与没有损坏时相比，这种情况下，在该骨架失败的损坏程度约85%。在一根结构在100%的损坏的情况下，以及在没有损坏的情况下，下一个骨架发生故障的可能性，发生的概率约为1／1.19，即为84%。在30%的伤害的情况下，骨架的破坏发生在1.33/1即75%的可能性。在这个阶段，环境成为第一因素，即相同的100%的损害条件。显然，下一次故障将不会发生，直到84%的损坏的出现。因此，通过检测30%的损害而得到的材料本身损伤的耐受力是相同的，仅用于此特定情况下将模拟值定为100%。
因此，考虑到实际的结构和操作条件的适用范围，HRAGS系统，需要通过考虑受力条件和环境温度条件，HRAGS受力、损伤容限设计得出的数据可以通过本程序以应变检测的光纤光栅传感器为前提进行。
图5-损坏导致的不同拉伸情况
3.HEAGS原型系统
通过实验证实HRAGS损伤检测能力，HRAGS原型系统进行损伤检测的流程如下，并进行了检测试验，使用本系统进行。
1）读取嵌入的光纤光栅传感器在高速度的HRAGS中的波长信息。
2）将获得的波长信息转换为应变分布。
3）比较得到的应变分布和健康结构的应变分布。
4）从应变分布的变化对比结果判断是否存在损伤，在损伤存在的情况下标注出损伤的位置。
3.1hrags原系统配置
在HRAGS原系统包括面板和检测系统的HRAGS是显示在图6。每个组件的功能表述如下。
（a）HRAGS面板
图7显示了光纤的布线方案和嵌入式多点光纤光栅传感器的反射光谱。光纤光栅传感器嵌入在525毫米x550毫米板上的29个位置。这相当于在每平方米面积上设置了100个监测点的HRAGS板。系统中使用了三种光纤，其中光纤光栅传感器的数量约为9～10。光纤的插入损耗的最大值为29分贝，最小的值为14分贝。即使面板大小增加到1平方米，损失也可以得到充分的测量
（b）检测系统
光电二极管阵列式波长计能够测量高速（100赫兹）作为测量波长和C波段ASE模块仪器作为原系统的光源。由于同样是高速通过开关的光路，一个微机械式开关以时间为10毫秒的时间工作。一台个人电脑用来读取测量仪器数据和用于控制光开关的数据。
实时应变分布与材料正常状态下应变分布，其中的差异以图形方式显示在屏幕上。如果这些差异增大到特定的值，将发出报警，此时该系统将检测到结构的损坏。
3.2损伤检测实验
完全固定的HRAGS面板周边后，荷载的骨架相交，和检测试验。损坏的形状的一个缺口的深度约为10毫米，约为3毫米的骨架形状。所插入的缺陷的加载点和骨架的位置如图6所示，而该装置的设置如图8所示。
图6-HRAGS系统
图7-光纤布局模式和反射光谱图
图8-HRAGS原型系统
图9-损伤检测状况
图9显示了损坏的检测状态。该损坏是在面板的中心。图9（a）显示面板的分布，图9（b）显示测量数据和初始数据的应变分布的差异。从图9（1），我们只能看到应变分布。另一方面，对骨架中心损伤可以从图9（b）明显区分。因此，损坏位置和损坏的水平可以被检测到。以这种方式，损伤检测操作实验证实了使用的健康监测系统可以成功监测损坏。
4 结论
高可靠性的高级网格结构技术的发展可以实现轻质材料作为飞机结构的目标。HRAGS损伤检测方法可以分析和监测一个健康的结构和损伤的结构之间的应变分布差异。文中阐明了损伤检测能力与损伤容限设计强度之间的对应关系。在此基础上，建立了相应的材料残余强度评价方法，对检测到的损伤程度进行了评估。
HRAGS原型系统，是由嵌入在面板尺寸为525x550毫米上的29个光纤光栅传感器所组成。在系统中引入人工损伤之后，通过对比引入损伤之后的应变分布图与正常状态下的应变分布图，成功的检测出损伤，并判断出了损伤的位置。
致谢
这项研究是日本经产省经济贸易工业部合作下资助下，在《结构完整性诊断研发合同》进行的，作为《民航基本技术》方案《先进材料与工艺开发下一代结构》项目的一部分。
参考文献
1. S. Kabashima, T.
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资料编号：[148295]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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