基于“准-弥散”喷涂传感网络及超声非线性的疲劳损伤原位定量监测

Current structural health monitoring (SHM) techniques are confronted by two bottlenecks: the difficulty in balancing “sensing cost” with “sensing effectiveness”; and the inefficiency in detecting fatigue damage, because fatigue damage, usually imperceptibly small, may not produce noticeable signal changes...An in-situ SHM approach is to be developed by exploring the nonlinearity of ultrasonic guided waves (UGW), perceived by a novel coated sensor network made of 2D graphene nanoplatelet hybrids. The innovative sensor network will be sprayed and deposited onto structures for acquisition of nonlinearity of UGW. The dynamic particulate motion induced by traversing UGW modulates the nanoscale infrastructure of the sensor, changing the piezoresistivity measured. Provided fatigue damage exists, UGW is distorted, manifesting nonlinear features. From fundamental mechanism study to experimental validation, this project embraces development of a sprayable in-situ graphene-based sensor network, with quasi-dispersed sensing elements; establishment of quantitative correlations between UGW nonlinearity and fatigue damage; and image-based presentation of results, facilitating user-friendly in-situ SHM.

疲劳裂纹之萌生与扩展可诱发工程结构的灾难性事故。利用传感器网络与超声非线性对疲劳裂纹进行诊断因而备受关注。然而，在实际工程中，大多数诊断与监测方法均面临两个尤为突出的瓶颈：（一）在传感器网络方面，很难在“传感成本”（传感器数目与位置是否最优）与“信息完备”（信息量是否足够）之间达到平衡；（二）在灵敏度与精度方面，基于超声非线性理论的方法对疲劳裂纹（非贯通）的检测大多停留在定性的描述，很难对微小损伤定量表征。..该研究针对以上两个瓶颈展开攻关，利用纳米层面的“量子隧穿效应”构建一种能够对超声非线性扰动精准响应的纳米石墨烯结构，并在此基础上，制备新型、“准-弥散”式可喷涂传感网络；提取传感网络所捕获到的非线性超声波动特征，建立超声非线性特征与疲劳损伤参数之间的定量关系；以迅捷和可视化的方式定量呈现监测结果，促进原位损伤监测发展，并为研发有生命力及工程实用性的疲劳损伤诊断与实时监测提供科学依据。

该国家自然科学基金项目自2019年1月执行以来，通过四年的深入研究，目前已经顺利完成各项预定内容。课题组按照原计划顺利履行了各项研究步骤。在遵循时间节点的前提下，取得了所有预期的研究成果。课题研究内容无改动。..在研究当中，团队利用纳米层面的“量子隧穿效应”构建了一种能够对超声非线性扰动精准响应的纳米石墨烯结构，并在此基础上，制备新型、“准-弥散”式可喷涂传感网络；团队提取了传感网络所捕获到的非线性超声波动特征，建立了超声非线性特征与疲劳损伤参数之间的定量关系，并以迅捷和可视化的方式定量呈现监测结果。该项目为建立“主动、在线、定量、可视化”的疲劳裂纹检测及监测理论与方法体系提供了源头性科学依据。..在四年的时间里，课题组在该领域权威SCI期刊上发表了一共39篇高水准论文及若干篇国际会议论文。所有论文均清楚致谢了该国家自然基金项目。在理论建立、实验验证、工程测试、人才培养、学术交流及成果发表等各个方面，均达到或超过预期。在课题执行的四年中，课题组获取了大量的数据。这些数据对将有力提升现有基于波动理论的疲劳裂纹诊断理论与方法研究水平，并为产生有生命力的疲劳裂纹诊断与主动监测提供科学依据。