基于飞机CFRP层合板非线性损伤特性的冲击分析与检测研究

With the wide application of CFRP composites and the increase in the number of composite structures in in-service aircraft, aiming at the CFRP laminates of aircraft, through nonlinear multi-scale calculation and experimental verification, this project intends to carry out the research on low velocity impact analysis and ultrasonic harmonic detection based on nonlinear damage characteristics of aircraft CFRP laminates. The following issues will be included in the present project: (1)The modeling method for the impact damage analysis of laminates with microscopic material nonlinearity and macroscopic contact nonlinearity is developed to study the influence of different nonlinear factors on the impact damage evolution of CFRP laminates. (2) An ultrasonic nonlinear harmonic analysis model is provided based on the boundary condition of the delaminated propagation boundary and the crack propagation boundary as the initial impact damage boundary condition. (3) Based on the equivalent elastic modulus of damage and the nonlinear constitutive model, the correlation mechanism between the nonlinear damage coefficients and the ultrasonic high order harmonic parameters is investigated. A new method for ultrasonic high order harmonic detection of CFRP laminates based on nonlinear analysis of impact damage is proposed. The project is expected to enhance the analysis accuracy of internal damage data of advanced composite aircraft, provide accurate theoretical data for material failure prediction and control. The study is of great significance to promote the application of nonlinear ultrasonic technology in nondestructive testing of aircraft composite materials.

随着CFRP复合材料在民用航空器中的广泛应用和在役航空器复合材料结构数量的增多，本项目以飞机CFRP层合板为研究对象，通过非线性多尺度计算和实验验证，开展基于飞机CFRP层合板非线性损伤特性的冲击分析与超声谐波检测研究。主要包括：（1）提出了细观材料非线性和宏观接触非线性结合的冲击损伤分析模型的构建新方法，研究不同非线性因素对飞机CFRP层合板冲击损伤演变的影响规律；（2）建立以冲击损伤分层扩展边界和裂纹扩展边界为初始边界条件的超声非线性谐波响应分析模型；（3）基于损伤等效弹性模量和非线性本构模型，揭示损伤非线性系数与超声高阶谐波参数之间的关联机制，提出了基于非线性损伤分析的飞机CFRP层合板高阶超声谐波检测新方法。项目预期成果有利于提升先进航空器复合材料内部损伤数据分析的精度，并为故障预报和控制提供理论依据，对促进非线性超声波技术在飞机复合材料无损检测中的应用具有重要意义。

安全运行是民航业的首要问题，随着碳纤维复合材料在民用飞机中的广泛应用和在役复合材料民用飞机结构数量的增多，由复合材料损伤引发的飞行事故越来越受到重视。发展基于飞机CFRP层合板非线性损伤特性的冲击分析与检测研究对推动我国飞机设计可靠性和运行安全具有重要的科学价值和工程意义。. 项目围绕以下三个基础科学问题进行了深入研究并取得了阶段性成果。在非线性多尺度飞机CFRP结构冲击渐进损伤研究方面，添加能量释放率作为分层扩展的判据，通过解除相应节点的耦合约束来模拟裂纹的动态扩展；采用非线性损伤因子D将材料非线性引入损伤本构方程中，实现多尺度CFRP层合板结构非线性各向异性行为和冲击渐进损伤研究，探索不同尺度非线性对CFRP层合板结构冲击损伤性能的影响规律。超声波非线性特性数值与理论研究方面，结合超声谐波响应数值计算，建立了含微裂纹/分层夹杂的飞机CFRP层合板结构冲击-去振荡-超声波-一体化分析模型；获得损伤因子引起的材料结构非线性参数对二次弹性谐波位移幅值A2的影响规律；确定了二次谐波幅值与含裂纹结构的等效模量之间的关联机制，为飞机CFRP层合板结构低速冲击损伤超声波检测提供新的分析方法。冲击损伤非线性超声波检测参数优化与检测平台研究方面，搭建CFRP层合冲击损伤非线性超声检测系统，基于分层、裂纹损伤相关参数，研究二次超声谐波对CFRP层合板结构内部分层、裂纹闭合损伤的敏感度；采用改进优化方法对非线性超声波检测关键参数进行优化，提出基于损伤结构非线性分析的CFRP层合板结构冲击损伤高次超声波检测新方法，弥补目前复合材料低速冲击闭合裂纹/分层损伤检查技术的不足，有利于提升先进复合材料航空器内部损伤检查数据的获取和分析精度，并为材料内部性能反演、故障预报和控制提供精确理论数据，对促进非线性超声波技术在民用航空器复合材料无损检测中的推广具有重要意义。