基于PVD的金属结构疲劳损伤监测机理研究

It is of great significance for the safety of metal structure to monitor its all-phase fatigue damage, including the micro fatigue damage initiation and the macro fatigue crack propagation. When the applicant studied PVD sensor for metal structure crack monitoring, it was found that the collected signal successfully reflected the whole process of fatigue damage. In order to find out the nature and mechanism of this phenomenon, this application is proposed. The mechanism how the PVD sensor integrated with metal substrate will be studied by comparison experiments of different sensor preparation processes and SEM observation of fracture surface. The mechanical principle how the sensor detect the fatigue damage will be studied by analyzing the interface mechanics behavior between the PVD sensor and the substrate system, and the electric mechanism of it will be studied by FEM simulation analysis and experimental test. The essential relationship between the monitoring signals and the state of the structure's fatigue damage will be established through experimental study. In theory, the research results of this project will establish the thory explanation how the PVD sensor monitors fatigue damage, and can provide thory guide for the optimum design and application of PVD sensor. In engineering, it can provide a reference method for the fatigue damage monitoring of metal structure, especially for the micro fatigue damage monitoring of high-strength metal structure.

对金属结构微观疲劳损伤萌生与宏观疲劳裂纹扩展进行全程监测，对于保证金属结构安全运行具有重大意义。申请人在研究金属结构裂纹监测PVD传感元时，发现监测信号较好地反映了结构从微观疲劳损伤萌生到快速断裂的全过程，为了探明该现象的本质和机理，特申请本项目支持。本项目将通过工艺对比试验与界面显微观察，探索PVD传感元与金属基体的一体化集成机理；通过分析PVD传感元与金属基体间的界面力学行为，研究PVD传感元监测疲劳损伤的力学原理；通过电学有限元仿真分析与测试，研究PVD传感元监测金属结构疲劳损伤的电学机理；通过试验分析，建立PVD传感元监测信号物理含义与结构疲劳损伤状况之间的关系模型。项目成果在机理上将建立PVD传感元监测疲劳损伤的理论解释，为PVD传感元的优化设计和具体应用提供理论指导；在工程上将为金属结构疲劳损伤监测特别是高强材料结构早期微观疲劳损伤监测提供方法参考。

实时监测金属结构疲劳损伤对于确保结构安全具有重大意义。本项目针对现有损伤监测传感器难以实现与金属结构一体化集成导致的耐久性差、虚警率高等问题，开展了基于PVD的金属结构疲劳损伤监测技术研究，主要内容和创新点有：.（1）PVD传感元与金属基体一体化集成的机理研究.综合分析各种薄膜制备方法的特点，选择了PVD技术中的弧光放电离子镀作为PVD传感元的制备手段。探明了一体化集成工艺参数（主要包括：弧电流、基体负偏压）对PVD传感元一体化集成效果（主要包括：膜层微观结构、沉积速率、耐腐蚀性能、结合强度）的影响规律，并从机理层面进行了分析，总结得到了PVD传感元的优化制备工艺参数。通过试验证明了PVD传感元对金属基体力学性能（例如硬度、静强度、疲劳性能）无明显影响。.（2）PVD传感元监测疲劳损伤的力学与电学机理研究.力学机理分析方面，建立了传感元涂层/基体力学分析有限元模型，分析了PVD传感元与金属材料基体间的力学交互作用，得到了PVD传感元薄膜/基体界面应力分布情况，探明了PVD传感元薄膜厚度和薄膜材料弹性模量对界面应力的影响规律。.电学机理分析方面，为了确定裂纹长度与传感器各输出点之间电位差的关系，运用有限元分析软件ANSYS对基于电位法原理的PVD传感元监测特性进行有限元仿真分析，确定了裂纹沿径向单边扩展时以及裂纹沿径向双边扩展时PVD传感元的裂纹监测输出特性。.（3）PVD传感元监测信号与金属结构疲劳损伤的对应关系模型研究.研制了多通道飞机金属结构裂纹在线监测系统原理样机；提出了针对PVD传感元的实时裂纹损伤识别方法，即从PVD传感元输出监测数据曲线中提取裂纹特征点和基于滑动窗口分析的裂纹损伤识别算法，建立了PVD 传感元监测信号与各阶段疲劳损伤的对应关系模型。开展了一系列疲劳损伤监测试验研究，证明了方法的有效性。.项目得到工艺参数对一体化集成效果的影响规律可用于指导PVD传感元制备，力学和电学仿真模型有助于PVD传感元优化设计，实时裂纹损伤识别方法可用于建立疲劳裂纹损伤与监测信号的对应关系，从而为金属结构疲劳损伤监测提供重要技术支撑。