面向CFRP构件的复合式电阻抗成像无损检测方法研究

Since carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are widely used in the aerospace field, it is significant to improve detection level for damage tolerance during the process of airworthiness certification and reduce testing costs by adopting health monitoring technology. As the reinforcement carbon fiber has self-conductivity and the structural damage of CFRP has sensitive electrical characteristics, a new compound electrical impedance tomography method is proposed for aircraft CFRP composites. This new method has advantages of non-invasion, non-radiation, low cost and fast response, etc. so that it can provide a new way for monitoring structural health, estimating the condition of residual life and observing damage propagation. Based on the complex electrical properties of CFRP, the measurement and imaging mechanism of the combined imaging sensor will be studied, and the optimization of the sensor parameters and excitation/detection scheme will be completed accordingly. Then, image reconstruction algorithms for both open and focused modes of electrical impedance tomography will be further discussed, obtaining the visual information of structural damages. By fusing the two different measurements, nonlinear parameter discerning method will be explored to extract the characteristic parameters for structural damges. Finally, hardware test platform will be developed to realize online measurement, with advantages of visualization, dynamic detection and non-invasion, for the CFRP damage samples.

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）广泛应用于航空航天领域，实现其结构健康监测对提高适航审定的损伤容限探测水平、降低检测成本具有重要意义。本项目针对飞机CFRP构件，利用碳纤维的自传感特点及结构损伤的电学敏感特性，提出一种基于复合式电阻抗成像的新型无损检测方法。该方法具有非侵入、无辐射、成本低及响应快速等优点，为实现CFRP构件结构健康无损监测、预估残余寿命及损伤扩展等提供新手段。本项目利用CFRP电学特性，研究复合式电阻抗探测方法及可视化手段，通过建立介质分布与测量数据间的映射模型，优化设计电极结构及激励测量模式；研究基于开放式和聚焦式电极结构的图像重建算法，获取结构损伤可视化信息；融合两种测量方法，开展非线性参数辨识方法研究，提取损伤相关特征参数；最后通过构建数字化测量系统，实现CFRP损伤试样在线、可视化、动态、无损检测。

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）广泛应用于航空航天领域，并已成为新一代大型飞机的主体材料。而CFRP在制造和在役使用过程中，均可能出现多种形式结构损伤。如何实现结构损伤的早期诊断和预测，研究新型结构健康监测对损伤容限探测水平、降低检测成本具有重要意义。CFRP是由导电的碳纤维和电绝缘的聚合物基体构成，通常由多个连续的单向碳纤维层堆叠压制而成。电学测量利用CFRP电学特点成为是一种新兴的用于CFRP无损检测的方法。本项目针对飞机CFRP构件，利用碳纤维的自传感特点及结构损伤的电学敏感特性，提出一种基于复合式电阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）的新型无损检测方法，主要研究内容有：(1) 结合材料结构属性，设计新型复合式EIT电极结构，建立完整的理论框架，构建理论模型，准确描述复合式EIT检测及成像机理，奠定EIT方法对CFRP结构损伤检测的理论基础；(2) 基于现代信息处理手段，挖掘CFRP层板的二维/三维时空分部信息，完成CFRP损伤状况的准确、快速、动态检测；(3) 搭建实时、高分辨率数字化测量系统，提高CFRP试样在线结构健康检测的有效性和效率。现阶段完成主要成果有：（1）复合式EIT探测机理研究方面，针对CFRP层合板各项异性的复杂电学特性，完成EIT电极结构设计、电极结构参数及激励/测量策略优化，验证了该方法的可行性。（2）基于复合式EIT模型的逆问题求解方面，基于传统正则化算法展开理论研究，提高损伤图像重建精度，实现损伤特征有效提取。（3）复合式EIT检测平台构建方面，构建了一套开放式EIT硬件测量系统，可实现测量数据采集，并通过上位机算法完成图像重建，进一步验证该方法的有效性。该项目研究方法具有非侵入、无辐射、成本低及响应快速等优点，为实现CFRP构件结构健康无损监测、预估残余寿命及损伤扩展等提供新手段。