随着材料、传感器、信号处理等技术的发展，针对复合材料结构损伤的监测和识别需求，研究人员开展了大量研究与实验，开发了多种监测技术，其中基于压电传感器的超声导波技术被认为最有潜力的监测技术之一，成为近年来国内外研究的技术热点。

为及时识别复合材料结构在使用过程中的损伤，本文提出了一种复合材料结构损伤实时监测和快速诊断方法。该方法将复合材料结构完好状况的基线信号和损伤信号之间的相关系数定义为损伤指数，以此来表征复合材料结构的健康状态（损伤、完好等）。选取典型复合材料T型结构开展了监测实验，通过实验和无损检测结果，确定了复合材料结构典型损伤的诊断阈值。

引言

由于复合材料结构具有比强度高、可设计性强以及结构重量和制造方面的优势，被广泛应用于航空航天等国防领域，成为结构减重、提高装备运营经济性的重要策略之一，已成为现代航空结构材料重要的发展方向和应用趋势。随着国产复合材料结构的不断发展，逐渐向主承力结构应用，复合材料在新的军民用飞机各类型号中的用来不断提高。复合材料结构是按照损伤容限思想来设计的，复合材料结构地面积木式试验验证是实现复合材料结构航空应用和保证其结构完整性的一个重要环节，试验中损伤的及时发现和快速检出是损伤容限试验的重要目的之一，是制定飞机外场维护大纲的重要依据。目前，试验中按照试验大纲采用常规无损检测技术对复合材料结构实施检测，传统方法极其耗费劳动量和时间，是影响试验周期和效率的一个重要因素之一。同时，由于复合材料结构构型复杂、损伤模式复杂多样、损伤隐蔽性强且分散性大，大多损伤目视不可见，试验中对损伤的及时发现、定位和监控成为复合材料结构应用所面临的重要技术挑战，迫切需要发展针对复合材料结构的损伤在线监测与快速诊断技术。

复合材料结构损伤指数

基于压电传感器的超声导波监测技术是通过压电传感器对机体结构施加主动激励，在结构中激励出弹性波，同时使用多个压电传感器感知结构中不同位置处的弹性波传递信号，结合信号处理和辨识技术对结构的完好状态进行辨识和诊断。

目前在航空领域广泛应用的复合材料结构主要以层合板结构为主，超声导波在这类结构中激发出弹性波的通常称为Lamb波。相对其他损伤监测方法，基于超声导波的损伤监测方法具有对结构损伤萌生敏感、适用于无损检测不可达/不可检结构区域的损监测、布置传感器监测网络可实现结构大面积的区域监测等优点。

在实施超声导波损伤识别与诊断过程中，由于损伤往往会改变超声导波的传播强度和方向，从而引起监测传感器的信号。结构损伤监测的压电传感器信号变化程度与其监测路径上损伤的严重程度密切相关。因此，建立适当的监测路径传感器信号变化损伤指数，就可以表征结构的损伤状态。本文以典型相关分析理论为基础，以导波监测传感器监测路径信号为损伤指数，用以表征监测结构区域的损伤情况。基于相关系数的损伤指数(DI)如下所示:

(1)

式中：

Corr—超声导波在复合材料结构完好状态下的基线信号与结构发生损伤时导波信号之间的相关系数。

定义同一条压电传感器监测路径上结构完好装好状态下的信号B={B1,B2,…,Bi}为基线信号，发生损伤时的信号D={D1,D2,…,Di}为损伤信号， i为采集点序号。那么Corr相关系数为可表示为:

(2)

图片和图片为结构完好状态下超声导波基线信号和出现损伤时导波信号的平均值。

损伤指数（DI）可以反映压电传感器监测路径上及监测区域附近的结构健康状态（完好、损伤萌生、损伤扩展）。DI值可以表征监测路径或监测区域附近结构产生损伤/损伤扩展等程度。每4个压电传感器组成一个最小监测网络，共6条监测路径。当2个传感器监测路径上的信号出现异常时，认为该监测路上的结构出现损伤；当最小监测网络的6各监测路径信号出现异常时，认为该最小监测网络覆盖区域出现损伤。与传统的基于超声导波的损伤成像、特征诊断等方法相比，在对大型装备结构实施超声导波损伤监测时，本文建立的损伤指数（DI）监测方法操作性更强、工程应用结果诊断更迅速。

因此，本文针对大型复合材料结构损伤快速监测与诊断需求，以压电传感器监测路径异常数量作为判断结构损伤状况指标，从而实现结构损伤的及时监测和快速诊断。

损伤诊断方法

复合材料结构损伤状况指标的大小可以作为结构损伤大小和扩展程度的量化指标，其变化趋势可以反映结构损伤扩展的速度。实施基于复合材料结构损伤状况指标的结构损伤监测与诊断方法主要有以下几个步骤：

1)针对监测结构对象，通过典型结构实验件的监测实验，根据实验情况和无损检测结果，确定损伤指数阈值；

2)对结构关键监测区域，通过力学分析和有限元仿真，优化布置压电传感器监测网络（传感器数量最优、传感器位置最优等）；

3)对监测结构出现初始状态下的超声导波信号采集，获取各个监测路径导波基线信号。

4)实施基于超声导波的损伤监测，实时采集信号，并计算损伤指数；

5)与实验确定的损伤阈值基线对比，确定结构损伤状况指标；

6)根据损伤状况指标值，判定监测区域损伤状态，包括损伤萌生和扩展。

该方法实施过程简单，计算迅速，可以应用于大型复合材料结构损伤的早期识别和扩展监测，其结果可作为指导开展复合材料结构损伤精准无损检测的依据。

典型复合材料结构损伤阈值实验

为了确定航空典型复合材料结构的损伤指数阈值，选取典型复合材料T型加筋结构为实验对象。实验中对实验件分级施加载荷，逐级施加到设计载荷，然后逐级卸载到零。在每级载荷平稳后采集超声导波信号，并计算损伤指数，在卸载后对实验件进行无损检测。

实验件为复合材料T型加筋板结构件，该实验件加工工艺材料为T700/QY8911。实验件由3个子层组成，其中，子层1铺层形式为[-45/0/45/90/-45/0/90/0/45/90/-45/0/45]：子层2铺层形式为[45/0-/45/90/45/0/90/0/-45/90/45/0/-45]：子层3铺层形式为[45/0-/45/90/0/45/0/-45/0/45/90/-45]s。复合材料T型加筋板结构件及压电监测传感器布置情况如图1所示。

图1复合材料T型加筋实验件示意图

在图1中，①、②、③、④表示压电传感器编号，压电传感器附近的坐标表示监测位置，虚线表示信号路径。复合材料T型加筋板结构件尺寸为120×200×50mm。结合复合材料T加筋结构力学分析、以往实验结果及经验，该典型件结构过渡区和三角填充区的界面之间容易产生脱粘损伤。因此本实验主要监测过渡区、三角填充区及突缘与面板的粘接区。

具体监测实验如图2所示，实验件通过专用夹具安装在力学性能测试实验机上。实验中采用美国Acellent公司的超声导波监测系统，压电传感器为PZT-5A型，直径8mm，厚度0.45mm。实验中实验机载荷施加速率参数设置为2mm/min，实验设计最大载荷为5kN，实验过程载荷施加分别5级进行，步长为1kN。超声导波监测系统的信号激励频率设置为225kHz，采样率设置为10 MHz，每级载荷到达后采集超声导波信号。

图2  监测实验示意图

在实验过程中，当载荷施加到3.3kN时，实验件首次发出声响，采集该信号并继续施加载荷到5kN，然后逐级进行卸载。卸载后对复合材料 T 型加筋实验件进行了详细无损检测，检测结果如图3所示。

图3  T型加筋板底板无损检测结果

从图3无损检测结果可以看出，实验件监测区域产生脱粘损伤。

对实验中采集的超声导波信号进行分析，计算了损伤指数，损伤指数变化情况如图4所示。

图4损伤指数（DI）值实验变化情况

在图4中，黑色虚线表示②、③压电传感器监测路径的损伤指数变化情况，蓝色实线表示①、④压电传感器监测路径的损伤指数变化情况。从图4可以看出，在0- 3kN载荷施加过程中，两条路径的损伤指数（DI）值较小，且相对稳定，说明此时尚未产生损伤；当实验载荷超过3kN以后，DI值快速增大，在实验载荷达到4kN室，结构测区域已经出现损伤，并随着载荷不断增大，损伤不断扩展。当实验件首次发出声响时的载荷为3.3kN，对应DI值为0.34。因此，确定0.34为该复合材料典型结构的损伤指数阈值。

对比损伤诊断结果与无损检测结果，表明该方法诊断结果与无损结果一致，验证了该方法的有效性和可行性。

结论

本文针对航空复合材料开展了基于超声导波的损伤监测方法研究，建立了一种基于超声导波和典型相关分析的复合材料结构损伤监测方法，并通过实验，确定了T型加筋板结构损伤指数。

本文提出的方法简单，计算过程迅速，采用该方法可以实现对大型复合材料损伤的快速监测与诊断，具有很强的工程适用性。

引用本文：

白生宝，肖迎春，黄博，田媛.基于超声导波的复合材料结构损伤监测研究[J].环境技术,2022,40(02):74-78.