基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法

1.本技术涉及层合板性能分析的技术领域，尤其涉及基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法。


背景技术：

2.纤维增强复合材料因其具有高模量、高强度、低密度、热膨胀系数小等性能，现已广泛应用于航空航天、船舶、汽车、建筑等领域。因此复合材料的结构安全性是保证整个系统正常工作的重要因素。轻微的损伤可以潜在的发展并造成灾难性的事故。然而目前常规的探测手段花费较大，且严重依赖于人的参与，如热成像、声发射，x射线等。而且这些技术也不能应用于那些难以接近的结构区域和部件，在某些情况下还需要彻底的结构分解，对结构进行下线测试。因此，在工作环境中对构件进行实时的健康监测具有十分重要的意义。
3.当前工业界和学术界都在积极地研制结构健康监测和损伤分析的新方法。相对于传统方法，对新监测分析方法的要求是：1)把监测系统合成到结构中(成为智能结构)；2)使结构的在线监测成为可能；3)数据分析的算法要简单；4)要有识别、定位、量化损伤的能力,甚至能预测较为薄弱区域。目前常用的传感器包括：电阻应变式传感器、压电式传感器、光纤传感器以及微芯片传感器等。目前，已有团队成功将带有压电陶瓷的智能层夹在纤维增强复合材料中，形成智能夹层结构，该结构不仅能实时监测内部损伤，还可以检测外部冲击。由于智能夹层面积宽、厚度大，严重降低了复合材料结构强度及安全性。另外，利用光纤光栅传感器对应变的检测能力，实现对纤维增强复合材料拉伸过程中的健康监测。与传统压电传感器相比，光纤光栅传感器具有更高灵敏度和信噪比，但是缺少载荷定位的能力。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术所公开一种基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，能够简单地对层合板健康状况进行检测。
5.本技术提供一种基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，包括：
6.通过安装于被测层合板上表面的上层柔性应变传感器获取第一应变值和安装于被测层合板下表面的下层柔性应变传感器获取第二应变值，其中每一上层柔性应变传感器和每一下层柔性应变传感构成一组柔性应变传感器，每组柔性应变传感器对应于被测层合板的一个被测点，并根据所述第一应变值、第二应变值得到各被测点的被测应变、被测曲率；
7.由所述各被测点的被测应变、被测曲率并结合预设曲率分布函数，得到被测层合板所有位置的目标曲率、目标应变；
8.基于预设损伤准则，由目标曲率、目标应变，得到被测层合板的健康状态。
9.可选地，当被测层合板形成悬臂梁时，所述曲率分布函数通过以下公式表示，
[0010][0011]
上式中，κ为曲率，ν”为挠度的二阶导数，f1为纵向载荷，f2为横向载荷，ei为弯曲刚度，l为梁的总长度，x为任意点的位置。
[0012]
可选地，当被测层合板形成矩形板时，所述曲率分布函数通过以下公式表示，
[0013][0014]
上式中，κ为曲率，p为横向载荷，d为弯曲刚度，a和b分别为矩形板的长和宽，ν为泊松比，x和y为任意点的横坐标和纵坐标。
[0015]
可选地，得到被测层合板的健康状态，具体包括：
[0016]
根据经典层合板理论，由目标曲率、目标应变得到力矩大小；
[0017]
由所述力矩大小，基于预设损伤准则，确定反映是否发生损伤或破坏模式的损伤状况；
[0018]
根据所述损伤状况，获得已损伤的刚度退化矩阵，以由剩余刚度退化矩阵界定健康状况。
[0019]
可选地，由目标曲率、目标应变得到力矩大小，通过以下公式，
[0020][0021]
上式中，n为内力，m为内力矩，a为拉压刚度矩阵，d为弯扭刚度矩阵，b为耦合刚度矩阵，ε为应变，κ为曲率。
[0022]
可选地，获得已损伤的刚度退化矩阵，通过以下公式，
[0023][0024][0025]
上式中，c
′
为已损伤的拉伸刚度矩阵，c
ij
为未损伤的拉伸刚度系数，df为纤维损伤变量，dm为树脂损伤变量，g
′
为已损伤的剪切刚度矩阵，g
ij
为未损伤的剪切刚度系数，d
t
和dc表示拉伸和压缩损伤变量，s
t
＝0.9，sc＝0.5。
[0026]
可选地，所述根据所述第一应变值、第二应变值得到各被测点的被测应变、被测曲率，通过以下公式，
[0027]
[0028][0029]
上式中，ε1为第一应变值、ε2为第二应变值，ε为各被测点的被测应变，κ为各被测点的被测曲率，h为厚度方向的距离。
[0030]
可选地，在得到各被测点的被测应变、被测曲率之后且得到被测层合板所有位置的目标曲率、目标应变之前，还包括由被测应变、被测曲率获得被测层合板的受力状态，具体为：
[0031]
当ε》0，κ＝0时，只受拉伸载荷作用；
[0032]
当ε《0，κ＝0时，只受压缩载荷作用；
[0033]
当ε＝0，κ》0时，只受弯曲载荷作用；
[0034]
当ε》0，κ》0时，受拉伸载荷与弯曲载荷共同作用；
[0035]
当ε《0，κ》0时，受压缩载荷与弯曲载荷共同作用。
[0036]
可选地，所述柔性应变传感器为应变花结构，以检测三方向上的正应变或剪应变大小。
[0037]
可选地，所述上层柔性应变传感器、下层柔性应变传感器在被测层合板厚度方向上对齐，并且以被测层合板厚度中心线对称设置。
[0038]
本技术具有以下有益效果是：
[0039]
1.本技术的双层柔性应变传感器结构简单，制备工艺成熟，成本较低，且适合大面积使用。
[0040]
2.本技术提出的层合板受力状态判定准则方法简单，实用性强，能够分析出外界载荷类型及联合作用时的信号变化。结合层合板结构的应变分布函数，还能预测层合板结构的最危险点所在位置，并判断其是否发生损伤破坏
[0041]
3.本技术采用分压法计算传感器的电阻变化，使用多路数据采集装置测量转换为数字信号，该方法对设备要求较低，适用性强，且数据的采集与处理相对简化。
[0042]
4.本技术的双层柔性应变传感器结构不仅适用于大面积的智能蒙皮，还可以用于层合板的智能夹层结构。工作机理与所述申请内容相同，且智能夹层结构相较于智能蒙皮结构可以更好的保护柔性应变传感器的使用，减少外部冲击或气流对柔性应变传感器可能造成的破坏。
附图说明
[0043]
下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0044]
图1为本技术实施例所公开基于双层柔性应变传感器的复合材料层合板的结构示意图；
[0045]
图2为本技术实施例所公开双层柔性传感器结构受拉伸载荷作用时的形变示意图；
[0046]
图3为本技术实施例所公开双层柔性传感器结构受弯曲载荷作用时的形变示意图；
[0047]
图4为本技术实施例所公开悬臂梁结构受到拉伸载荷与弯弯曲载荷共同作用时的
曲率分布图；
[0048]
图5为本技术实施例所公开悬臂梁结构受到压缩载荷与弯弯曲载荷共同作用时的曲率分布图；
[0049]
图6为本技术实施例所公开复合材料矩形板结构受横向载荷作用时的曲率分布图。
[0050]
其中，图中元件标识如下：
[0051]
1-上层柔性应变传感器，2-上粘接层，3-层合板，4-下粘接层，5-下层柔性应变传感器。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本技术实施例，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0053]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0054]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0055]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
[0056]
本技术实施例所公开的基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，包括：
[0057]
s1、通过安装于被测层合板上表面的上层柔性应变传感器获取第一应变值和安装于被测层合板下表面的下层柔性应变传感器获取第二应变值，其中每一上层柔性应变传感器和每一下层柔性应变传感构成一组柔性应变传感器，每组柔性应变传感器对应于被测层合板的一个被测点，并根据上述第一应变值、第二应变值得到各被测点的被测应变、被测曲率。
[0058]
请参考图1，作为示范性地，上层柔性应变传感器1通过上粘接层2粘贴在层合板3的上表面，下层柔性应变传感器5通过下粘接层4粘贴在层合板3的下表面。上层柔性应变传感器1、下层柔性应变传感器5通过引线连接在多路数据采集模块，通过测量其电阻变化，即
可同时得到层合板3的上层表面、下层表面的应变大小。在实际操作时，运用分压法测量传感器的电阻变化。上层柔性应变传感器1、下层柔性传感器5分别串联一个阻值相当的定值电阻，并使用恒压电压源进行供电，通过测量定值电阻的电压变化，即可计算出相应柔性应变传感器的电阻变化，根据应变灵敏系数得到第一应变值、第二应变值。
[0059]
上述上层柔性应变传感器1、下层柔性应变传感器5在被测层合板厚度方向上对齐，并且以被测层合板厚度中心线对称设置。由一上层柔性应变传感器1和一下层柔性应变传感5构成一组柔性应变传感器的组数可以根据实际需要在被测层合板上布设，例如图1所表示的三组。
[0060]
上层柔性应变传感器1、下层柔性应变传感器5的结构可适用于悬臂梁结构和矩形板结构，可以适用于其它应变分布已知的层合板结构中，如两端简支梁结构、两端固支梁结构，两边简支矩形板结构等。单层板可以是各项同性材料或者各向异性材料，具体可以是纤维增强树脂基复合材料。
[0061]
在一些实施例中，当被测层合板受到拉伸载荷或弯曲载荷作用时，上述根据上述第一应变值、第二应变值得到各被测点的被测应变、被测曲率，通过以下公式，
[0062][0063][0064]
上式中，ε1为第一应变值、ε2为第二应变值，ε为各被测点的被测应变，κ为各被测点的被测曲率。
[0065]
需要说明的是，由被测应变、被测曲率还能得到被测层合板的该被测点(即被测应变、被测曲率对应的被测点)的总应力，即
[0066]
e＝ε+z
·
κ。
[0067]
在一些实施例中，在得到各被测点的被测应变、被测曲率之后且得到被测层合板所有位置的目标曲率、目标应变之前，还包括由被测应变、被测曲率获得被测层合板的受力状态，具体为：
[0068]
当ε》0，κ＝0时，只受拉伸载荷作用；
[0069]
当ε《0，κ＝0时，只受压缩载荷作用；
[0070]
当ε＝0，κ》0时，只受弯曲载荷作用；
[0071]
当ε》0，κ》0时，受拉伸载荷与弯曲载荷共同作用；
[0072]
当ε《0，κ》0时，受压缩载荷与弯曲载荷共同作用。
[0073]
有上述受力状态的判定法则可知，当被测层合板受到水平方向上的拉伸载荷作用时，上下层传感器会产生基本相同的应变。当被测层合板受到弯曲载荷作用时，位于上下表面的应变传感器会产生大小相同，正负相反的应变，通过计算可以得到对应位置的曲率大小。根据经典层合板理论，可以计算出应变在厚度方向上的分布。当被测层合板同时受到拉伸载荷与弯曲载荷作用时，根据上下层传感器的应变可以分别计算出两种载荷的大小和方向。
[0074]
s2、由上述各被测点的被测应变、被测曲率并结合预设曲率分布函数，得到被测层
合板所有位置的目标曲率、目标应变。
[0075]
应当能够想到的是，将各被测点的被测应变、被测曲率的具体值带入预设曲率分布函数，便能获得曲率分布函数中的常量。再将该常量带入预设曲率分布函数，便能获取不含常量处于已知状态的曲率分布函数。
[0076]
作为一种示范，当被测层合板形成悬臂梁时，上述曲率分布函数通过以下公式表示，
[0077][0078]
上式中，κ为曲率，ν”为挠度的二阶导数，f1为纵向载荷，f2为横向载荷，ei为弯曲刚度，l为梁的总长度，x为任意点的位置。
[0079]
作为一种示范，当被测层合板形成矩形板时，上述曲率分布函数通过以下公式表示，
[0080][0081]
上式中，κ为曲率，p为横向载荷，d为弯曲刚度，a和b分别为矩形板的长和宽，ν为泊松比，x和y为任意点的横坐标和纵坐标。
[0082]
s3、基于预设损伤准则，由目标曲率、目标应变，得到被测层合板的健康状态。
[0083]
得到被测层合板的健康状态，具体包括：
[0084]
s31、根据经典层合板理论，由目标曲率、目标应变得到力矩大小；
[0085]
此处，由目标曲率、目标应变得到力矩大小，通过以下公式，
[0086][0087]
上式中，n为内力，m为内力矩，a为拉压刚度矩阵，d为弯扭刚度矩阵，b为耦合刚度矩阵，ε为应变，κ为曲率。
[0088]
s32、由上述力矩大小，基于预设损伤准则，确定反映是否发生损伤或破坏模式的损伤状况。
[0089]
损伤准则具体可以是chang-chang criterion损伤准则，或者其它形式。
[0090]
s33、根据上述损伤状况，获得已损伤的刚度退化矩阵，以由剩余刚度退化矩阵界定健康状况。
[0091]
此处，获得已损伤的刚度退化矩阵，通过以下公式，
[0092]
[0093][0094]
上式中，选取s
t
＝0.9，sc＝0.5。该损伤退化矩阵表明层合板的破坏是一个渐进的过程。
[0095]
可选地，上述柔性应变传感器为应变花结构，以检测三方向上的正应变或剪应变大小。
[0096]
现在针对一个常见的应用场景中，来阐述本技术层合板健康状况检测的操作过程。应当注意的是，此常见的实施方案不可作为理解本技术所声称所要解决技术问题的必要性特征认定的依据，其仅仅是示范而已。
[0097]
应用实例1
[0098]
请参阅图1-5。本例基于双层柔性应变传感器的健康检测方法，所涉及结构包括：上层柔性应变传感器1，下层柔性应变传感器5、上粘接层2、下粘接层4以及被测层合板3。
[0099]
本例1以悬臂梁为例，将层合板切割成悬臂梁样条，沿着悬臂梁长度方向的上表面和下表面分别粘贴三个等间距的柔性应变传感器，且在垂直方向上一一对应。如图1所示，所述的柔性应变传感器均与多路数据采集设备连接，检测每个传感器的信号变化。当同一位置的上下表面传感器信号已知时，根据拉伸应变计算公式以及弯曲曲率计算公式得到拉伸应变大小以及曲率大小。
[0100]
当悬臂梁结构受到沿着长度方向的拉伸载荷作用时，如图2所示，上下表面柔性应变传感器的应变大小相等，拉伸应变则沿着悬臂梁长度方向上均匀分布。根据曲率计算公式可得该位置的曲率为0。
[0101]
当悬臂梁结构受到弯曲载荷作用时，如图3所示，上下表面柔性应变传感器的应变大小相等，正负相反，且沿着厚度方向上弯曲应变呈线性变化。根据拉伸应变计算公式可得该位置的拉伸应变为0。若拉伸应变和弯曲应变均不等于0，则表示悬臂梁受到拉伸载荷(或压缩载荷)与弯曲载荷共同作用。将3个测量点处的曲率值代入悬臂梁的曲率分布函数，根据拟合结果即可获得悬臂梁各个位置的曲率大小，结果如图4和图5所示。而拉伸应变则沿着悬臂梁长度方向上均匀分布，拉伸应变计算公式与前文相同。
[0102]
进一步地，根据应变花45
°
方向的上层柔性应变传感器1、下层柔性应变传感器5的应变大小，可以得到沿着该方向的拉伸应变以及弯曲曲率大小。相较于整体结构而言，得到的是悬臂梁受到的剪应变以及扭曲率大小。
[0103]
进一步地，将上述方法中计算得到的各个方向的拉伸应变以及弯曲曲率代入到经典层合板理论公式中，计算结果为各方向的拉伸应力与弯矩。
[0104]
进一步地，根据总应变计算公式以及悬臂梁曲率分布函数，得到最危险点所在位置以及总应变的大小，根据损伤判据准则判断其是否发生损伤破坏，从而实现结构健康实时监测的目的。
[0105]
应用实例2
[0106]
请参阅图5。实施例2以矩形板为例，在矩形板的上下表面分别粘贴柔性上层柔性应变传感器1、下层柔性应变传感器5构成的传感器阵列。其工作机理与实施例1中所述方法相同，在此略述。
[0107]
由于矩形板可以看作一个二维结构，因此双层柔性应变传感器阵列可以实现对冲击载荷大小及位置的检测。具体做法是：结合弹性力学四边简支矩形薄板的navier解法，得到面内挠度分布函数，进而得到平面内曲率分布函数。将各被测点所在位置的曲率大小代入曲率分布函数中，通过拟合即可对外界载荷大小及作用位置进行预测，如图5所示。根据预测准确度，可以调整传感器的布局方式，如传感器的间距以及阵列的形状等，实现参数优化的目的。
[0108]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，包括：通过安装于被测层合板上表面的上层柔性应变传感器获取第一应变值和安装于被测层合板下表面的下层柔性应变传感器获取第二应变值，其中每一上层柔性应变传感器和每一下层柔性应变传感构成一组柔性应变传感器，每组柔性应变传感器对应于被测层合板的一个被测点，并根据所述第一应变值、第二应变值得到各被测点的被测应变、被测曲率；由所述各被测点的被测应变、被测曲率并结合预设曲率分布函数，得到被测层合板所有位置的目标曲率、目标应变；基于预设损伤准则，由目标曲率、目标应变，得到被测层合板的健康状态。2.根据权利要求1所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，当被测层合板形成悬臂梁时，所述曲率分布函数通过以下公式表示，上式中，κ为曲率，ν”为挠度的二阶导数，f1为纵向载荷，f2为横向载荷，ei为弯曲刚度，l为梁的总长度，x为任意点的位置。3.根据权利要求1所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，当被测层合板形成矩形板时，所述曲率分布函数通过以下公式表示，上式中，κ为曲率，p为横向载荷，d为弯曲刚度，a和b分别为矩形板的长和宽，ν为泊松比，x和y为任意点的横坐标和纵坐标。4.根据权利要求1所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，得到被测层合板的健康状态，具体包括：根据经典层合板理论，由目标曲率、目标应变得到力矩大小；由所述力矩大小，基于预设损伤准则，确定反映是否发生损伤或破坏模式的损伤状况；根据所述损伤状况，获得已损伤的刚度退化矩阵，以由剩余刚度退化矩阵界定健康状况。5.根据权利要求4所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，由目标曲率、目标应变得到力矩大小，通过以下公式，上式中，n为内力，m为内力矩，a为拉压刚度矩阵，d为弯扭刚度矩阵，b为耦合刚度矩阵，ε为应变，κ为曲率。6.根据权利要求4所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，获得已损伤的刚度退化矩阵，通过以下公式，
上式中，c
′
为已损伤的拉伸刚度矩阵，c
ij
为未损伤的拉伸刚度系数，d
f
为纤维损伤变量，d
m
为树脂损伤变量，g
′
为已损伤的剪切刚度矩阵，g
ij
为未损伤的剪切刚度系数，d
t
和d
c
表示拉伸和压缩损伤变量，s
t
＝0.9，s
c
＝0.5。7.根据权利要求1所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，所述根据所述第一应变值、第二应变值得到各被测点的被测应变、被测曲率，通过以下公式，以下公式，上式中，ε1为第一应变值、ε2为第二应变值，ε为各被测点的被测应变，κ为各被测点的曲率，h为厚度方向的距离。8.根据权利要求7所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，在得到各被测点的被测应变、被测曲率之后且得到被测层合板所有位置的目标曲率、目标应变之前，还包括由被测应变、被测曲率获得被测层合板的受力状态，具体为：当ε>0，κ＝0时，只受拉伸载荷作用；当ε<0，κ＝0时，只受压缩载荷作用；当ε＝0，κ>0时，只受弯曲载荷作用；当ε>0，κ>0时，受拉伸载荷与弯曲载荷共同作用；当ε<0，κ>0时，受压缩载荷与弯曲载荷共同作用。9.根据权利要求1所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，所述柔性应变传感器为应变花结构，以检测三方向上的正应变或剪应变大小。10.根据权利要求1所述基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法，其特征在于，所述上层柔性应变传感器、下层柔性应变传感器在被测层合板厚度方向上对齐，并且以被测层合板厚度中心线对称设置。

技术总结
本申请公开了基于双层柔性应变传感器的层合板健康状况的检测方法。本检测方法通过在被测层合板上下表面安装柔性应变传感器用于检测上下层的应变大小，得到拉伸应变与弯曲曲率的大小。根据本发明提出的受力状态判定准则分析外界载荷的方向，根据经典层合板理论公式可以获得外界作用载荷的大小，从而实现对外界载荷大小及方向的检测能力。根据计算的层合板结构各测量点的曲率，结合曲率分布函数得到所有位置的目标曲率、目标应变。通过损伤准则并由目标曲率、目标应变判断所有位置的损伤状况，以得出层合板的健康状态。本发明提出的方法结构简单，制备成本较低，数据处理简单，适用于智能蒙皮以及智能夹层结构。于智能蒙皮以及智能夹层结构。于智能蒙皮以及智能夹层结构。


技术研发人员：刘胜 龚乙 王诗兆 东芳 袁超
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/5