複合材料結構損傷多尺度定量診斷研究

《複合材料結構損傷多尺度定量診斷研究》是依託西安交通大學，由陳雪峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：複合材料結構損傷多尺度定量診斷研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳雪峰
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

複合材料在大飛機、風電等裝備上廣泛套用，但是纖維斷裂、基體開裂、脫粘分層等損傷將會導致災難性破壞，複合材料結構安全性評估與線上損傷識別受到極大關注。本項目擬在細觀尺度上探索複合材料損傷演化機理，建立損傷細觀分析的通用單胞非線性模型，構造適合複雜結構分析的通用單胞等參單元；研究細觀參數與巨觀性能的多尺度特性及其耦合的分析方法，闡明細觀參數對巨觀性能的影響機制，研究複合材料宏細觀多尺度漸進損傷分析方法；研究複合材料結構Lamb波傳播的區間B樣條小波有限元求解方法，給出損傷信號特徵提取途徑。在上述研究基礎上，提出複合材料損傷定量識別方法。針對風電葉片、飛機機翼等複合材料結構開展工程驗證與套用研究。.通過本項目的研究，可望在通用單胞細觀分析理論、複合材料結構損傷線上定量識別等方面有所創新和突破，獲得有學術意義和實用價值的研究成果，為工程實踐中日益增長的複合材料結構安全評估提供新的理論與技術。

結題摘要

大型裝備複合材料結構安全性評估與線上損傷識別受到極大關注與重視。本項目通過開展複合材料結構損傷機理研究，首先針對複合材料細觀尺度下的特徵因素，建立了能夠精確分析複合材料非線性變形的高精度通用單胞模型，利用快速重構算法，考慮纖維形狀、熱殘餘應力和弱界面等細觀結構與損傷情況，從而提高了對複合材料巨觀性能的預測，進一步聯合宏細觀尺度性能，構建了複合材料多尺度損傷模型，提出了基於細觀組分原位強度的複合材料強度改進預測方法，實現了複合材料結構強度的快速、準確預測，解決了複合材料風電葉片在靜力載入下的整體應力與應變受力求解分析；其次對於Lamb波在複合材料損傷結構中傳播機理研究方面，構造了適用於Lamb波傳播模擬的區間B樣條小波有限元單元，通過添加局部柔度建立一維波導損傷模型，與傳統方法對比，該模型在提高計算精度的同時，將計算效率提高了4-5倍，將模型與譜分析方法聯合，完美揭示了梁結構中Lamb波模式分離現象，為基於複合材料損傷應力波的監測提供了重要研究基礎和技術支持。本項目在上述複合材料損傷機理研究基礎上，針對葉片結構的應變數監測，提出了DS證據理論的複合材料風電葉片分層損傷識別方法；針對Lamb波信號監測，開展了改進鄰域相關性冗餘二代小波降噪方法研究，方法顯著降低了複合材料結構微弱損傷信號的干擾噪聲，提高了複合材料損傷識別準確性；為實現複合材料板型結構的損傷定量識別，提出了基於逐點機率重構算法的複合材料損傷識別方法，方法能夠將損傷狀態以層析譜圖的直觀方式進行呈現與準確定量識別；為解決複合材料結構損傷擴展定量化診斷，引入稀疏重構方法，提出一種裂紋延展識別的稀疏追蹤算法，成功用於裂紋延展方向與長度的識別；最終，分別通過基於光纖光柵應變感測網路、壓電晶體感測網路構建的複合材料損傷監測實驗平台，以及小型風電葉片損傷識別實驗平台，驗證了本項目提出的損傷診斷方法的有效性，開發了相應的軟硬體監測平台，為複合材料大型結構的損傷線上定量識別的工程化套用起到了有力的推動作用。本項目執行期間共發表了15篇SCI論文，申請專利3項，培養博士研究生5名，碩士研究生3名。