复合材料内多处横向冲击损伤的光纤图像检测1.PDF

第 31 卷 第 3 期 力 　学 　学 　报 Vol. 31 , No. 3 1999 年 5 月 ACTA MECHANICA SINICA May ,1999 复合材料内多处横向冲击损伤的光纤图像检测1) 徐宁光 　孙良新 　黄晗松 (南京航空航天大学飞行器系 ,南京 210016) 摘要 基于埋设在复合材料层板中的多方位多模光纤网络的特点 ,提出了检测层板内部发生多 处横向冲击损伤的重构算法. 根据光纤损伤图像检测系统获得的图像信号 ,可实时、定量、直观 重构并显示出层板内部各处损伤的位置和各处的损伤程度. 在复合材料多点冲击损伤检测试 验中 ,屏幕显示的损伤图示与对半透明试件同时做反向照明检测的结果相一致 ,证实了重构结 果的正确性. 关键词 　复合材料 ,结构损伤 ,光导纤维 , 图像处理 ,重构 引　言 近年来 ,各种复合材料由于其优异的力学性能得到了越来越广泛的应用. 但是 ,复合材料 结构在使用中不可避免地会出现各种损伤. 其中特别具有危险性的是结构由于受到低速冲击 而产生不可目视检测的内部损伤所引起的抗屈曲刚度下降. 因此 ,及时确定这些内部损伤的产 生和发展 ,对于保证复合材料结构的安全可靠性具有极为重要的意义. 由于多组分材料复杂的 密度分布和界面、微空隙等的影响 ,常用的无损检测方法如 X 射线法、超声波及 C 扫描等 ,在 判断损伤位置、形状等方面 ,有较高的误诊率 ,更主要的问题是这些方法均不能做到实时监测. 将光纤网络埋入复合材料结构内 ,可以将内部的损伤信息及时反映出来 , 同时光纤还以其轻、 细而不影响结构的原有力学性能 ,不产生电磁干扰 , 以及防燃、防爆等优点,使这一技术在国际 上受到广泛重视. 把光纤埋入复合材料中检测损伤已有十多年的历史. 国外学者进行了大量基础性的实验 , μ 证实了用光纤检测常用纤维增强复合材料结构损伤扩展的可行性 ,并发现细于 100 m 的光纤 一般不会使复合材料结构强度降低[1 ,2 ] . 在国内 ,我们跟踪世界先进水平 ,也开展了此项研究. 经过几年努力 , 已掌握了含光纤网络的功能型复合材料的制造工艺,形成了较完整的层板结构 损伤光纤检测实验技术 ,制成了相应的光电检测实验系统 ,并实测了光纤网络对玻璃纤维增强 复合材料的力学性能的影响[3 ] . 光导纤维作为传感器 ,其工作原理有多种类型 , 因测试对象而异. 复合材料结构损伤检测 采用光纤的强度调制 ,测试的基本原理为 :复合材料结构的损伤将引起埋设在结构层间的光纤 损伤和断裂 ,导致光纤传光能力下降 ,布置在光纤网络出口处的探测器将检测出光强变化 ,从 而得到结构损伤信息. 典型的结构损伤有分层、增强纤维断裂和脱胶、树脂基体开裂、穿透性损伤等形式. 固化在 ( ) 结构中的光纤受到树脂的保护 ,当结构出现裂纹 树脂基体开裂或增强纤维断裂和脱胶 时 ,与 　1998 - 01 - 23 收到第一稿 , 1998 - 04 - 30 收到修改稿. 1) 国家自然科学基金、航空科学基金、博士后基金资助项目. © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 　　　　　　　 力 　　　学 　　　学 　　　报 1999 年 第 31 卷 340 裂纹扩展方向成垂直走向的光纤将出现过度的拉应变而导致断裂. 当冲击造成分层损伤时 ,往 往伴随着上、下两层各自出现贯穿裂纹 ,从而引起光纤断裂. 因此 ,结构损伤与光纤断裂具有时 间和空间上的一致性 ,主要的使用损伤形式均会造成损伤区附近光纤传光能力的改变. 在光纤损伤信号检测技术上 , 国外一般采用