纤维增强复合材料损伤多尺度建模及稀疏诊断研究

Fiber-reinforced composites (FRC) are widely used as key components of many major mechanical equipment. The higher requirements for performance and service of composite structures probably cause complex failure modes and sudden catastrophic of structures. The coupling of multiscale physical mechanism in FRC failure leads to extreme difficulty in damage modeling and fault diagnosis of FRC. The project combines failure theory analysis and fault diagnosis technology together to deal with the problems above: Firstly, the micromechanics method with 3D high-precision unit cell which represents the complex microstructure of FRC is developed to form multiscale computational framework. And the progressive damage model proposed for simulation of damage degradation processes is incorporated into the framework to accomplish multiscale damage modeling. The multiscale damage model can precisely analyze the whole process from micro-damage initiation and propagation to the laminates failure stage with multi-mode damages and complex stress condition. On the basis of mapping relationship between the damage response signal of structures and damage information, the research is implemented on the construction of parameter dictionary which can both match the damage location and severity characteristics. By aid of the dictionary, the damage identification method is developed with the sparse representation of damage characteristics, and it achieves the efficient diagnosis in structure health monitoring for composites. The project provide the multiscale modeling theory support for composites failure research, and it will play an important role in guaranteeing the safe and long-life operation of composite structures.

纤维增强复合材料作为关键部件广泛应用于众多重大机械装备，对结构性能与服役要求的不断提高，造成复合材料失效模式复杂且具有突发灾变性，其多尺度物理机制耦合的失效本质导致纤维增强复合材料损伤建模与故障诊断异常困难。本项目联合失效理论分析与故障诊断技术，首先通过建立描述复合材料复杂细观结构的三维高精度单胞细观力学模型形成多尺度计算框架，融合模拟损伤性能退化过程的逐步损伤演化模型构成复合材料损伤多尺度模型，实现多模式损伤共存与复杂受力下细观损伤萌生、扩展到层合板失效全过程的精确分析；在损伤多尺度分析获得的结构损伤响应信号与损伤信息映射规律基础上，研究同时匹配损伤位置与程度特征的指标参数字典构造，建立以稀疏损伤特征表示的损伤识别方法，实现关键复合材料结构健康监测的高效故障诊断。本项目为复合材料失效研究提供了多尺度建模理论支撑，对实现复合材料结构长寿命安全运行具有重要的理论价值和工程意义。

纤维增强复合材料作为关键部件广泛应用于重大机械装备中，对结构性能与服役要求的不断提高，造成复合材料失效模式复杂且具有突发性，其多尺度物理机制耦合的失效本质导致复合材料损伤建模与故障诊断异常困难。本项目联合失效理论分析与故障诊断技术，首先建立了复合材料三维高精度单胞细观力学模型——基于等参变化的FVDAM模型，实现了复合材料结构宏观性能与细观性能的快速、准确计算，完成了细观结构因素与加载条件变化对复合材料变形与响应的预测；然后分析了聚合物基复合材料蠕变和应力松弛情况下线弹性性能以及应变场演化，获得松弛模量和应力分布，总结了细观力学因素对其影响规律，对后续复合材料在蠕变与应力松弛情况下的损伤分析提供理论基础和依据；在此基础上，通过将单胞细观尺度性能向层板宏观尺度的映射与联合，完成了复合材料结构逐步损伤演化与失效分析的初步研究，实现了层板结构损伤扩展分析，发现了分层发生时的材料宏观性能变化特点；提出了零阶多物理场FVDAM模型，研究了嵌入压电相的热-电-弹耦合的单向复合材料性能，为研究复杂细观结构复合材料的性能与应力演化提供途径；在Lamb波损伤信号特征分析的基础上，提出了考虑波速补偿的Lamb波复合材料稀疏损伤识别方法，成功应用于复合材料平板结构损伤特征提取，显著提高了定位精度；提出了基于模型驱动的Lamb波二维多重信号分类损伤识别算法，提高了复合材料结构多损伤的故障诊断效率与精度，并搭建了飞机尾翼结构健康监测实验平台对所提出方法进行验证，证明了项目提出方法的可性能，实现了复合材料工程结构的快速定位与精确定量诊断，本项目提供了复合材料结构损伤机理分析方法与稀疏诊断技术，极大推动了相关核心技术在飞机机身、风力发电机叶片等领域中损伤诊断方法的工程转化。本项目执行期间发表SCI论文7篇，申请专利1项，培养研究生2名。