基于动态应变评复合材料修复结构性能

姜鑫，徐建新，祝俊

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 2100116)

0 引言

复合材料具有众多优点，已被广泛地应用于航空航天、船舶、建筑、车辆制造等行业中。复合材料在生产和使用过程中会产生废品和损坏品，评估损坏程度并尝试修复也是运用复合材料重要的一个环节。

复合材料层合板损坏形式主要包括纤维断裂，基体开裂以及层间分层。损伤层合板的性能会受到巨大影响，这些都要求对层合板损伤有足够的重视。国内外损伤检测方法也得到了快速发展。Ahmed A. Fahim 等人[1]基于超声传播的方法在建立复合材料层合板模型后，采用固有频率作为结构损伤识别的参数；Mei-po Ho等人[2]使用嵌入式光纤光栅传感器对不对称形状记忆合金钢筋复合结构进行监测；M.A. Caminero等人[3]利用数字图像来监测和分析含开孔胶接修复的复合材料层合板；顾培英和陈厚群等人[4]提出了一种基于应变模态差分的损伤检测方法，这种方法可以直接根据损伤后的数据，对损伤进行定位分析，但是如果没有其他的数据，这种方法是不能对损伤进行定量分析的。

在损伤存在的同时，层合板的修复方法也相当重要，会直接影响修复后层合板的性能。胶接修理法既可以保证修补后足够的强度，还能保持光滑表面，特别适用于外部蒙皮以及壁板层合板的修补[5]。如何评价修复后的材料性能也是重要的一环。本文采用基于动态应变的方法进行测量，比较修复前后板料性能的变化。应变是指在一定标距范围单位长度的变化率。根据测试方法的不同，又可以分为静态应变和动态应变。若被测物体在测量时处于静止状态则为静态应变，若被测物体在测量时受到的力处于动态则为动态应变。由于复合材料在生产和使用过程中，尤其是飞机的零部件，基本处于振动状态，所以分析材料的应变变化就要使用动态应变。动态应变的产生有两个方面的原因：1) 材料本身处于运动状态，2) 材料在测量时所受到的力是动态变化的。

实验为基于动态应变所完成的，所以原始板料的信号也必须是动态的，为了后期所做实验的便利性，也为了所得数据更具有代表性，所以目标是简谐周期性应变。由信号源来产生正弦信号，并通过激振器将正弦信号加载在板料上。由于受损部位的刚度发生变化，会导致该部位力学性能也会发生变化产生动态应变的突变，又由于信号源是正弦波，所以相当于在被测部位产生了载流波。然后通过PVDF应变片采集信号，通过电荷放大器放大后输入信号采集卡进行信号处理，得到需要的动态应变数据。在测量中为了得到更加精确的结果，不再使用电阻应变片，而是使用更加先进的PVDF压电薄膜应变片，其有结构简单、响应速率快、后端的处理电路简单等优点。

1 损伤复合材料层合板动态应变的测量

1.1 试验原理

动态应变测量就是为了得到材料应变随时间变化的过程，因此测量系统中需要稳定的振源，PVDF压电片(用来感受材料应力的变化)，放大器，数据记录装置。振源产生稳定震动，传递给材料，材料发生应力变化，应变计收集变化，将信号再传递给电脑进行数据记录，得到了材料在某一稳定频率振动下应力应变的变化规律。

板料表面与PVDF应变片相粘接，动态应变波形是通过粘结的胶层来传递的，因为胶层很薄，应变片能够充分感受到结构的应变情况，同时反映结构的应变。做动态应变测量时，动态应变的频率一般都远低于被测动态应变最大频率，应变片就能够很好地感受并反映结构的应变。

因为应变片通过电荷变化得到的电流或电压信号十分微弱，难以识别，所以需要放大器进行不失真放大。通过以上的措施，就能得到较为准确的信号。

1.2 试验方法与数据处理

试样：铺层形式为(0°/90°)s，各层厚度均为0.25mm。层合板各材料参数为，尺寸长×宽×高: 550mm×80mm×1mm，密度:1 600kg/m3，弹性模量:EX=108GPa，EY=EZ=10.3GPa，泊松比:PRXY=PRYZ=0.28，PRXZ=0.01，剪切模量:GXY=GXZ=GYZ=7.17GPa。损伤孔径分别为D5mm,D10mm,D15mm, 每个小孔在板料上的位置保证相同，每个孔距离激振器固定孔15cm。

实验仪器：KDJ-2型号激振器一台、KD5007电荷放大器一台、KD5602B扫频信号源一台、PCI-E9757采集卡一张、30 um×20 mmPVDF压电薄膜、导线、碳纤维复合材料层合板。

将PVDF压电片粘在孔左侧3 mm处，再将板料放在试验台上，如图1所示。

图1 试验平台

信号源将一定频率的正弦信号传递给激振器，激振器将信号变为振动传递给板料，使之产生振动从而产生动态应变。振动也会传递到PVDF压电薄膜贴上引起压电信号的变化，再将信号传递到电荷放大器上，最后通过采集卡把PVDF压电薄膜上的数据采集下来。

实验时通过扫频激振的方式大致确定了复合材料层合板的固有四阶频率分别为48Hz、80Hz、210Hz、450Hz。实验分别采集D5mm,D10mm,D15mm损伤孔径的层合板在不同频率下损伤应变数据，拟合成应变波形，这里只列出了D10mm损伤孔径的应变波形，如图2-图5所示。

图2 48 Hz下D10 mm损伤应变波形

图3 80 Hz下D10 mm损伤应变波形

图4 190 Hz下D10 mm损伤应变波形

图5 450 Hz下D10 mm损伤应变波形

不同损伤程度的复合材料层合板在不同激励频率下对应的最大应变幅值如表1所示。

表1 损伤动态应变波形幅值表

图6 损伤动态应变波形幅值图

由表1和图8数据分析可知，当复合材料层合板发生损伤时，其刚度会降低。刚度降低的最直接的影响就是在其受同等力的情况下应变会增大。损伤较小的时候应变随频率增大的变化幅度并不明显，在D5 mm损伤情况下，450 Hz振动频率对应的动态应变幅值比48 Hz振动频率增大了6倍左右；而当损伤较大时，频率越高，应变变化幅度越大，在D15 mm损伤情况下，450 Hz振动频率对应的动态应变幅值比50 Hz振动频率增大了14倍左右。由此可见，复合材料层合板的损伤程度越大对振动频率的越敏感。

2 修复后复合材料层合板动态应变的测量

2.1 复合材料层合板的修复

采用真空袋补片贴补的方法修复损伤复合材料层合板，使用的主要器材包括ACR-3复合材料修补仪，A/B环氧树脂系胶结剂，预浸料补片，带孔分离膜，热电偶，透明膜以及密封胶。修补中圆形补片的直径大小为损伤孔径的1.5倍。修补仪加热最高固化温为120 ℃，加热速率为3 ℃/min，保温时间30 min，冷却速率5 ℃/min。修理过程先在修理区域依次铺放隔离膜，加热毯，透气毡，然后是放置热电偶(需要注意的是热电偶放置的位置，是要放在在加热毯下方修理区附近)，热电偶是用来控制加热毯升温和监测修理。对真空压力的控制将设置为更加严格的区间，具体设置为高压报警压力为800mmHg，低压报警压力为500mmHg。而实际真空压力为658mmHg。

2.2 修复后数据检测与处理

实验同样也分别采集损伤孔径为D5 mm,D10 mm,D15 mm复合材料层合板修复后在不同频率下损伤应变数据，拟合成应变波形。这里只列出了D10 mm损伤孔径的应变波形，如图7-图10所示。

图7 48 Hz下D10 mm损伤修复后应变波形

图8 80 Hz下D10 mm损伤修复后应变波形

图9 190 Hz下D10 mm损伤修复后应变波形

图10 450 Hz下D10 mm损伤修复后应变波形

分析表2和图11可知，修复后复合材料层合板其损伤处刚度相较于未修复是会增大，PVDF压电片此时测得的应变幅值会有所降低。虽然不同损伤程度的复合材料层合板修复后其最大幅值会随着频率的增大而增大，但是最大幅值的大小却下降了很多。D15 mm损伤板修复后

其对应的应变幅值下降的最明显，其力学性能得到明显改善。 D5 mm、D10 mm、D15 mm损伤板修复动态后应变最大幅值分别平均降低了28%、42%、43%，相较于损伤板，损伤程度越大其修复效果越明显。与完好复合材料层合板相比，损伤程度小的层合板力学性能更好一些。

表2 修复后动态应变波形幅值表

图11 修复后动态应变波形幅值图

3 结语

主要探究损伤状态和修复状态下复合材料层合板动态应变幅值随着频率的变化规律。层合板损伤程度越大刚度下降越厉害，动态应变幅值对频率越敏感。其修复效果要优于损伤程度小的层合板。接下来的研究方向是通过动态应变方法定量分析复合材料层合板的损伤与修复性能分析。

[1] Ahmed A. Fahim, Rafael Gallego, Nicolas Bochud, Guillermo Rus. Model-based damage reconstruction in composites from ultrasound transmission[J]. Composites, 2013,45:50-62.

[2] Mei-po Ho, Kin-tak Lau, Ho-yin Au, Yu Dong and Hwa-yaw Tam . Structural health monitoring of an asymmetrical SMA reinforced composite using embedded FBG sensors[J]. Smart Mater. Struct, 2013,12:50-64.

[3] M.A. Camineroa, M. Lopez-Pedrosa, C. Pinna, C. Soutis. Damage monitoring and analysis of composite laminates with an open hole and adhesively bonded repairs using digital image correlation [J]. Composites, 2013,53:76-91.

[4] 顾培英,陈厚群,李同春. 基于应变模态差分原理的直接定位损伤指标法[J]. 振动冲击,2006,25(4):13-17.

[5] 王在富，欧阳杰，朱庆鹏，等. LTT-D生产工艺以及复合材料力学性能分析[J]. 机械制造与自动化，2016，45(2)：48-49.