基于导波波场测量的复合材料疲劳寿命预测方法研究

Fiber reinforced composite is widely used in aviation, aerospace, automotive, etc. With alternating loads, multi-type damages will be accumulated inside of the composite materials. As a result, the mechanical properties deteriorate, threatening the reliability and safety of the structure. Aimed at this problem, this project carries out a research on evaluation of composite fatigue properties using guided wave measurement. The previous work found that the energy distribution of the guided wave is sensitive to the fatigue property. Thus, under a framework of “Theory-Method-Experiment”, the theories of composite fatigue and guided wave propagation are firstly studied. By exploring the influences of fatigue properties on guided wave, the property evolution model of guided wave energy distribution will be built. Then, signal processing methods for extracting the guided wave properties are studied, reducing the influences of broadband excitation, boundary reflection, measurement noise and so on. In addition, considering the uncertainties such as composite dispersion and measurement error, a method for probabilistic prognosis of composite fatigue is studied. Finally, laser ultrasonic system will be carried out, which uses a noncontact way to obtain the guided wave propagation data. As a result, a nondestructive and in-suit evaluation of composite fatigue property will be achieved.

纤维增强复合材料已在航空航天、风机叶片、汽车船舶等大量工程结构中应用。在交变载荷的作用下，材料内部多种损伤形式不断累积，使其力学性能衰退，进而影响结构的可靠和安全性能。针对这一问题，本项目开展基于导波波场测量的复合材料疲劳寿命预测方法研究。项目采用理论与实验相结合的思路，针对前期实验中发现导波能量模态分布情况对疲劳特性敏感的现象，首先研究复合材料力学性能疲劳衰退和导波建模的理论，建立导波能量模态分布情况随疲劳变化的模型；其次，开展用于导波特征参数提取的信号处理方法研究，减小测量过程中宽频激励、边界反射、测量噪声等因素带来的影响；同时，考虑复合材料分散性、测量误差等不确定因素对结果的影响，提出基于概率计算的疲劳特性评估方法；最后，建立并优化激光超声系统，采用非接触式的手段获取导波传播数据，实现无损、原位的复合材料疲劳特性评估技术。

纤维增强复合材料因其高比刚度、高比强度和良好的抗腐蚀性能被广泛地应用于航空、航天、汽车、风机叶片等工程结构和装备中。特别是在航空航天领域，复合材料的用量比例已成为衡量飞行器是否优良和先进的重要考核指标之一。随着复合材料在先进飞行器中扮演的角色越来越重要，其疲劳特性将决定整体结构的安全和寿命。目前飞行器复合材料结构很少发生疲劳破坏的情况。其原因不仅是复合材料本身的抗疲劳性能好，更主要的原因是实际使用复合材料时通常选用较低的许用强度，远低于材料疲劳极限的设计思路致使航空复合材料在服役期间难以出现疲劳破坏的问题。为了降低结构的重量、提升材料使用的效率、充分发挥复合材料的承载潜力，使用高许用强度值是未来发展的必然趋势。但是，随着复合材料结构许用强度值的提高，结构原本被高强度设计所掩盖的疲劳问题逐渐显现，从而威胁结构的安全性能。.针对上述问题，本项目研究基于导波波场测量的复合材料疲劳寿命预测方法，通过无损检测的手段获取复合材料的相关信息，预估材料的疲劳情况和剩余寿命，以期确保结构的健康和可靠。然而，目前该方法仍存在诸多严峻的问题未解决，极大地阻碍了其在工程实际中的应用。在前期研究工作的基础上，本项目首先建立了含复合材料疲劳损伤随机分布的有限元模型，揭示了疲劳损伤引起导波模态转换的机制，探究了基体裂纹程度、密度等对导波模态转换效应的影响规律；其次开发了高扫查速率的激光超声检测系统，探究了扫查速率、扫描路径等系统参数对导波测量的影响规律，发现并验证了复合材料疲劳过程中的导波模态转换现象；最后提出了基于导波传播特征提取的复合材料疲劳特性表征方法，利用复合材料疲劳演化经验模型和人工智能模型，建立了复合材料剩余寿命的预测方法，在典型复合材料疲劳试验中得到了验证。相关成果发表期刊论文9篇，其中SCI期刊论文6篇，获授权国家发明专利5项。