《基於智慧型塗層的飛機結構損傷原位監測研究》是依託西安交通大學，由劉馬寶擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於智慧型塗層的飛機結構損傷原位監測研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉馬寶
- 依託單位：西安交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
飛機結構損傷監測是飛機全尺寸疲勞試驗和判定服役飛機的結構是否安全、能否延壽及保證飛行安全的關鍵。針對飛機結構損傷特點提出利用智慧型塗層原位主動監測飛機結構疲勞裂紋的萌生及擴展的新方法。通過智慧型塗層/基體系統的疲勞裂紋萌生、擴展行為的實驗研究和數值仿真，結合顯微斷口分析考核智慧型塗層相關電性能的變化與基體結構疲勞裂紋萌生和擴展的一致性，闡明智慧型塗層裂紋損傷監測方法的機理，並探討智慧型塗層厚度、彈性模量、抗拉強度、熱脹係數、剪下強度、結合強度及基材力學性能等參數對其裂紋監測能力的影響，確定利用智慧型塗層表徵結構疲勞裂紋萌生和擴展的臨界條件，從而實現基於智慧型塗層的結構疲勞裂紋監測，為全機疲勞試驗、飛機定壽和延壽及飛機結構健康監測提供新技術。該方法工藝可達性好，不破壞原結構的承力特性，尤其適合複雜封閉結構疲勞裂紋監測，可推廣套用於其它重要裝備如海上平台、橋樑、高鐵、潛艇、核電站等的結構健康監測。
結題摘要
結構健康監測研究是多學科交叉的前沿研究領域。結構健康監測技術的發展和套用，對於我國規模龐大的基礎設施的安全維護而言，具有重大的經濟價值和社會效益。智慧型塗層式裂紋監測是飛行器結構健康監測的重要手段之一。為了提高智慧型塗層式感測器的性能，必須對智慧型塗層式感測器所涉及到的力學等科學問題進行研究，以探究智慧型塗層式感測器的工作原理與失效機理。本文從理論和實驗兩個方面研究了基體裂紋穿透界面的機理、拉伸破壞與失效過程、裂紋與夾雜的相互作用及孔洞的演化行為。具體研究為：(1)建立了智慧型塗層的兩相模型與三相模型，基於能量釋放率準則，分別用虛擬裂紋閉合法與J積分對基體主裂紋在界面的偏轉/穿越行為進行了研究，分析了相對裂紋擴展長度，彈性錯配參數和界面層厚度對偏轉裂紋與穿越裂紋的能量釋放率之比的影響。通過與實驗結果相比，建立的模型能夠較好的解釋基體裂紋在界面的擴展行為，可用於智慧型塗層裂紋感測器的最佳化設計。(2)根據Eshelby等效夾雜理論、構型力理論與相變增韌理論，推導了I型裂紋與承受固有應變的任意形狀非均勻夾雜之間的構形力與應力強度因子的一般解，獲得了幾種特殊形狀夾雜與I型裂紋之間的構型力的近似解。同時套用相變增韌理論與構型力理論探究了在I型載入下，薄膜中裂紋偏轉與穿越的微觀機理，進而為複合薄膜-智慧型塗層的最佳化設計提供相應的理論支撐。(3)根據Eshelby等效夾雜理論、相變增韌理論與構型力理論，推導了II型裂紋與承受固有應變的任意形狀非均勻夾雜之間的應力強度因子與構形力的一般解，獲得了幾種特殊形狀夾雜與II型裂紋之間的應力強度因子與構型力的近似解。同時套用相變增韌理論與構型力理論探究了在II型載入下，薄膜(智慧型塗層)中裂紋偏轉與穿越的微觀機理。另外，為了理解三維問題中裂紋與承受固有應變的夾雜的相互作用，我們把平面應力解與平面應變解進行了比較。(4)建立了竹節狀薄金屬膜（智慧型塗層中感測層）中隨機分布的晶界孔洞模型，得到了一個由晶界和界面擴散控制的孔洞的增長和應力重新分布的解析的表達式。進而研究了晶粒結構、殘餘應力場、施加的電場以及晶粒和界面的擴散比對晶界孔洞的增長和應力重新分布的影響。結果表明，陽極附近的晶界越密集，越能夠抑制孔洞的成核與增長。
