损伤与断裂力学及其工程应用研讨会（2021）

110 / 2021-04-06 17:20:35

基于导波模态转换监测的复合材料寿命预测方法

复合材料,疲劳寿命,导波,激光超声

纤维增强复合材料因其高比刚度、高比强度和良好的抗腐蚀性能被广泛地应用于航空航天结构中。在复合材料结构承受疲劳载荷作用时，材料内部会产生基体裂纹、界面脱胶、层间分层和纤维断裂四种基本的损伤形式。这四种损伤不断扩展和累积，导致结构的力学性能衰退。为了能够在服役过程中监测复合材料结构的安全性能，本文利用了激光超声无损检测手段，提出了一种基于导波模态转换测量的复合材料寿命预测方法。首先，本文建立了一种含基体裂纹随机分布的复合材料有限元模型，分析了裂纹密度、裂纹位置和激励形式对导波模态幅值变化的影响规律。其次，搭建了一套激光超声检测系统，通过激光脉冲在复合材料试件上进行扫描激励，非接触式地获取了不同载荷周期数下的导波传播数据。仿真和实验结果表明，复合材料中基体裂纹的出现是导致导波模态转换效应的重要因素。随着疲劳载荷周期数的增加，导波模态转换的现象逐渐显著。利用导波波场的信号分析手段，本文定义了模态转换因子用于量化导波模态转换随疲劳变化的程度，并结合无损的导波测量方式，能够实现复合材料疲劳状态的评估。最后，本文引入了一种复合材料刚度衰减模型，实现了其剩余寿命的预测。