复合材料连接结构损伤探测技术与服役状态表征理论

Composite materials are being widely used as structural materials of the new generation of aircraft. How to monitor the damage in critical composite structures and evaluate its impact on the structure failure of aircraft is a very important but challenging topic. This project proposes a multi-field coupled sensing network based life cycle health management method for composite joint structures, and develops the key technologies for life cycle damage detection of composite joints from design, manufacturing, usage to maintenance. Major novelties of this project include: 1) A new concept of smart composite joint with multi-field detection capability; 2) Study of the anisotropic electromagnetic properties of the composite material to reveal the correlation between an electromagnetic eddy current sensor signal and the structural state, as well as damages; 3) A multi-field coupling hybrid sensor network integrated with electromagnetic eddy sensing film, arrayed piezoelectric sensors and Rogowski coil for lightning detection to detect the state and damage of composite joints; 4) Collaborative analysis techniques based on health monitoring results and fatigue failure prediction for a life cycle health management of composite joints. Research results have important practical significance to ensure the safety and reliability of aircraft composite joints.

复合材料正在成为新一代民机的主要结构材料，如何探测复合材料主承力结构的损伤，并评价其对结构失效的影响是重要但富有挑战性的课题。本项目提出并建立以多场耦合传感网络智能探测技术为基础的复合材料连接结构全寿命健康管理方法与理论，发展复合材料连接结构从设计、制造、服役到维护的全寿命周期损伤探测关键技术。主要创新点包括：提出具有多场探测能力的复合材料智能连接结构概念；研究复合材料各向异性的电磁 特性，揭示电磁涡流传感信号与结构状态及损伤之间的相关性；提出集电磁涡流传感薄膜、压电传感器阵列以及用于雷击电流检测的Rogowski线圈为一体的多场耦合传感网络技术，用于复合材料连接结构状态和损伤的智能探测；面向全寿命健康管理，提出复合材料连接结构健康监测与寿命预测模型的协同分析技术，实现连接结构的剩余强度和寿命预测。研究成果为快速评价复合材料连接结构的完整性提供理论基础和技术手段。

复合材料正在成为新一代民机的主要结构材料，连接结构是大型复合材料结构的关键环节。螺栓连接具有承载能力强、可靠性高、拆装容易及维护简便等优势，是航空航天领域复合材料结构的主要连接方式。由于复合材料连接结构存在复杂的非线性耦合因素，使得复合材料连接结构强度和破坏模式的分析十分困难。因此，必须对复合材料连接结构的健康状态进行监测、诊断、评价和预测，通过在线监测获得的信息实时掌握其健康状况与对外界载荷的响应，并在此基础上对未来可能发生的缺陷、故障进行预报，以便能在合适时间段内采取措施，以保证复合材料结构的安全服役并取得最大的经济效益。本项目提出并建立以多场耦合传感网络智能探测技术为基础的复合材料连接结构全寿命健康管理方法与理论，发展复合材料连接结构从设计、制造、服役到维护的全寿命周期损伤探测关键技术。.针对碳纤维树脂基复合材料螺栓连接结构的损伤形式和机理，项目建立一种以多场耦合混杂传感网络为基础的复合材料螺栓连接结构的状态智能探测技术，实现对复合材料螺栓连接结构内可能的损伤及其扩展的实时监测；揭示碳纤维树脂基复合材料结构连接区域内孔周围损伤的发展规律，根据损伤监测与诊断结果采取有效数据分析和融合技术，预测复合材料连接结构的剩余强度与使用寿命。项目重点对碳纤维复合材料螺栓连接结构的孔边裂纹进行定量化监测开展研究，采用有限元方法设计涡流传感器，运用柔性印刷电路技术制作涡流阵列传感器，并粘接在螺杆上，监测复合材料螺栓连接结构孔边裂纹的扩展。利用涡流阵列传感器对碳纤维复合材料螺栓连接结构孔边裂纹沿轴向和径向扩展进行实时监测，当损伤出现时通过对比分析涡流传感器信号变化达到对裂纹定量化监测的目的。项目的重要成果包括：提出了具有多场探测能力的复合材料智能连接结构概念，揭示了电磁涡流传感信号与连接结构损伤之间的关联性。