基于智能涂层的飞机结构损伤原位监测研究

飞机结构损伤监测是飞机全尺寸疲劳试验和判定服役飞机的结构是否安全、能否延寿及保证飞行安全的关键。针对飞机结构损伤特点提出利用智能涂层原位主动监测飞机结构疲劳裂纹的萌生及扩展的新方法。通过智能涂层/基体系统的疲劳裂纹萌生、扩展行为的实验研究和数值仿真，结合显微断口分析考核智能涂层相关电性能的变化与基体结构疲劳裂纹萌生和扩展的一致性，阐明智能涂层裂纹损伤监测方法的机理，并探讨智能涂层厚度、弹性模量、抗拉强度、热胀系数、剪切强度、结合强度及基材力学性能等参数对其裂纹监测能力的影响，确定利用智能涂层表征结构疲劳裂纹萌生和扩展的临界条件，从而实现基于智能涂层的结构疲劳裂纹监测，为全机疲劳试验、飞机定寿和延寿及飞机结构健康监测提供新技术。该方法工艺可达性好，不破坏原结构的承力特性，尤其适合复杂封闭结构疲劳裂纹监测，可推广应用于其它重要装备如海上平台、桥梁、高铁、潜艇、核电站等的结构健康监测。

结构健康监测研究是多学科交叉的前沿研究领域。结构健康监测技术的发展和应用，对于我国规模庞大的基础设施的安全维护而言，具有重大的经济价值和社会效益。智能涂层式裂纹监测是飞行器结构健康监测的重要手段之一。为了提高智能涂层式传感器的性能，必须对智能涂层式传感器所涉及到的力学等科学问题进行研究，以探究智能涂层式传感器的工作原理与失效机理。本文从理论和实验两个方面研究了基体裂纹穿透界面的机理、拉伸破坏与失效过程、裂纹与夹杂的相互作用及孔洞的演化行为。具体研究为：(1)建立了智能涂层的两相模型与三相模型，基于能量释放率准则，分别用虚拟裂纹闭合法与J积分对基体主裂纹在界面的偏转/穿越行为进行了研究，分析了相对裂纹扩展长度，弹性错配参数和界面层厚度对偏转裂纹与穿越裂纹的能量释放率之比的影响。通过与实验结果相比，建立的模型能够较好的解释基体裂纹在界面的扩展行为，可用于智能涂层裂纹传感器的优化设计。(2)根据Eshelby等效夹杂理论、构型力理论与相变增韧理论，推导了I型裂纹与承受固有应变的任意形状非均匀夹杂之间的构形力与应力强度因子的一般解，获得了几种特殊形状夹杂与I型裂纹之间的构型力的近似解。同时应用相变增韧理论与构型力理论探究了在I型加载下，薄膜中裂纹偏转与穿越的微观机理，进而为复合薄膜-智能涂层的优化设计提供相应的理论支撑。(3)根据Eshelby等效夹杂理论、相变增韧理论与构型力理论，推导了II型裂纹与承受固有应变的任意形状非均匀夹杂之间的应力强度因子与构形力的一般解，获得了几种特殊形状夹杂与II型裂纹之间的应力强度因子与构型力的近似解。同时应用相变增韧理论与构型力理论探究了在II型加载下，薄膜(智能涂层)中裂纹偏转与穿越的微观机理。另外，为了理解三维问题中裂纹与承受固有应变的夹杂的相互作用，我们把平面应力解与平面应变解进行了比较。(4)建立了竹节状薄金属膜（智能涂层中传感层）中随机分布的晶界孔洞模型，得到了一个由晶界和界面扩散控制的孔洞的增长和应力重新分布的解析的表达式。进而研究了晶粒结构、残余应力场、施加的电场以及晶粒和界面的扩散比对晶界孔洞的增长和应力重新分布的影响。结果表明，阳极附近的晶界越密集，越能够抑制孔洞的成核与增长。