CN115356376A - 一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法 - Google Patents

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CN115356376A CN202210985028.XA CN202210985028A CN115356376A CN 115356376 A CN115356376 A CN 115356376A CN 202210985028 A CN202210985028 A CN 202210985028A CN 115356376 A CN115356376 A CN 115356376A
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程晓颖
刘俊领
应志平
吴震宇
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance

Abstract

本发明公开了一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，包括以下步骤：1)使用航空泡沫作为复合材料夹层结构的芯材，在航空泡沫上规律的贴上固定尺寸的铜箔来作为电极；2)利用柔性基材来制成具有定制图形的印刷电路板，使用粘合剂将印刷电路板贴附到航空泡沫上，使得电极延伸出来；3)使用径向编织机在经过粘连后的航空泡沫上进行编织，使得碳纤维包裹在航空泡沫外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料；4)采用蛇形激励模式确定电流注入模式以及电压测量模式，基于测得的电压值使用电阻抗层析成像对真实电阻分布情况进行重建，进而得到判断损伤情况和损伤位置，实现碳纤维复合材料构件的无损评估和结构健康监测。

Description

一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及到一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法。
背景技术
碳纤维复合材料优越的机械性能使其在航空航天和汽车工业等许多重量敏感的应用中具有优势。然而，一个关键的缺点是无法通过简单的视觉技术在早期阶段检测这些材料的内部或亚表面损伤。由于存在多种损伤模式，包括纤维断裂、基体开裂和分层，传统的目视检查和基于间隔或周期的检查方法可能无法有效识别和跟踪这些故障。因此，结构健康监测(SHM)是一种有希望的手段，能够持续跟踪复合材料结构的损伤进展，以便及时干预和维修。电阻抗层析成像(EIT)在进行结构健康监测时具有很大的潜力。在EIT中，通过沿域边界收集的一系列电压和电流测量，绘制域的空间变化电导率分布，实现在压阻材料(如CFRP)中进行损伤检测、定位和可视化。
该领域的现有工作仅考虑带有边缘安装电极的平板。真实结构的几何结构显然要复杂得多，并且通常没有明确定义的边缘。若边缘安装电极进行结构健康监测，由于EIT逆问题的软场效应和不适定性，可能对真实情况无法得到有效的监测；若表面安装电极，又不适用于复材构件的实际应用，无法在工程上实现结构健康监测。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，将电极埋在碳纤维复合材料构件内部基于材料的压阻效应，采用电阻抗层析成像来对真实情况进行重建，实现碳纤维复合材料构件的无损评估和结构健康监测。
技术方案
一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，包括如下工艺步骤：
1)使用航空泡沫作为碳纤维复合材料构件夹层结构的芯材，在航空泡沫上等间距均匀的贴上固定尺寸的铜箔来作为电极；
2)利用柔性基材来制成具有定制图形的印刷电路板，使用粘合剂将印刷电路板贴附到航空泡沫上，使得电极延伸出来；
3)使用径向编织机在贴附完印刷电路板的航空泡沫上进行编织，使得碳纤维包裹在航空泡沫外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件；
4)采用蛇形激励模式来进行电流注入以及电压测量，基于测得的电压值使用电阻抗层析成像对真实电阻分布情况进行重建，进而得到判断损伤情况和损伤位置，实现碳纤维复合材料构件的无损评估和结构健康监测。
进一步的，步骤二中的所述利用柔性基材来制成具有定制图形的印刷电路板：所述柔性基材为聚酰亚胺，在所述聚酰亚胺的表面上化学蚀刻出导电图形，所述导电图形为压延铜箔，所述印刷电路板为单层电路板，所述印刷电路板单面设置所述压延铜箔，所述印刷电路板上还设置有通路孔，所述通路孔与所述铜箔一一对应。
进一步的，步骤二中的所述使用粘合剂将印刷电路板贴附到航空泡沫上，使得电极延伸出来：通过粘合剂将两张所述印刷电路板的背面分别贴合在所述航空泡沫两个表面，贴合后，所述电极可由内部延伸出来。
进一步的，步骤三中的所述使用径向编织机在贴附完印刷电路板的航空泡沫上进行编织，使得碳纤维包裹在航空泡沫外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件：订制用来固定所述航空泡沫一端的夹具，将所述夹具安装在机械手上，使用径向编织机在贴附完毕后的所述航空泡沫上进行编织，使得所述碳纤维包裹在所述航空泡沫外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件。
进一步的，步骤四中的所述基于测得的电压值使用电阻抗层析成像对真实电阻分布情况进行重建：通过对电阻抗层析成像在正问题和逆问题的求解，使用差分成像对测得的两种状态的电压值进行真实电导率的重建，通过电阻分布情况，进而得到判断损伤情况和损伤位置。
进一步的，所述正问题：为了重建内部电导率分布，需要求解不适定的ERT逆问题，在此前提上，需要一个数值正演模型，以便将内部电导率映射到边界测量值，为此，使用完整电极模型(CEM)，该模型使用有限元离散以下方程实现：
Figure BDA0003801753040000021
Figure BDA0003801753040000022
Figure BDA0003801753040000023
Figure BDA0003801753040000024
其中
Figure BDA0003801753040000031
是拉普拉斯算子，x代表域内的笛卡尔坐标，σ(x)和u(x)表示目标内的电导率分布和电势分布，el表示第L电极，Ul是相应电极上的电位测量值，Il表示在第L个电极上的电流注入，dS表示域的无穷小表面，zl表示第L电极与域之间的接触阻抗。
进一步的，所述逆问题：非线性ERT逆问题在概念上可以由V＝U(σ)观测模型表征，其中U是将σ映射到测量电压V的有限元正演模型，当测量值和正演模型精确匹配时，就解决了反问题(即L2范数最小化：||V-U(σ)||2＝0)，但这种情况是一种不切实际的理想化，因为测量噪声e始终存在，导致噪声修正观测模型被写成V＝U(σ)+e，由于存在噪声、数值建模误差、U(σ)的非线性以及用于求解逆优化问题的所得ERT矩阵的病态性，等式存在无穷多解，因此，在优化/求解非线性(绝对成像)逆问题时，需要高级正则化，以结合偏置先验信息和物理约束，使用差分成像，旨在基于两种不同状态(下标1和2分别代表基线和受损状态)的边界电压测量值ΔV的差异重建内导率Δσ的差异，公式如下：
ΔV＝V2-V1
Δσ＝σ2-σ1
Figure BDA0003801753040000032
Figure BDA0003801753040000033
其中J是线性化该点计算出的雅可比矩阵，Δe是状态1和状态2之间的测量噪声差，LR表示的是正则化矩阵，W是对角噪声加权矩阵。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.通过内嵌式摆脱了对真实构件的外观性能因素的影响。
2.分布式的结构可以在重建过程中减少EIT逆问题的软场效应和不适定性，使得能够得到更为真实有效的无损评估和结构健康监测。
附图说明
图1是编织结构及内嵌式电极的结构示意图；
图2定制图形的印刷电路板的结构示意图；
图3蛇形激励模式示意图。
附图标记
1-夹具 2-航空泡沫 3-导向环 4-碳纤维 5-铜箔 6-聚酰亚胺 7-压延铜箔 8-印刷电路板
具体实施方式
为更好地说明阐述本发明内容，下面结合附图和实施实例进行展开说明：
有图1-图3所示，本发明公开了一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，包括如下工艺步骤：
1)使用航空泡沫(PMI)2作为碳纤维复合材料构件夹层结构的芯材，在航空泡沫2上等间距均匀的贴上固定尺寸的铜箔5来作为电极；
2)利用柔性基材来制成具有定制图形的印刷电路板(FPCB)8，使用粘合剂将印刷电路板8贴附到航空泡沫2上，使得电极延伸出来；
3)使用径向编织机在贴附完印刷电路板8的航空泡沫2上进行编织，使得碳纤维4包裹在航空泡沫2外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件；
4)采用蛇形激励模式来进行电流注入以及电压测量，基于测得的电压值使用电阻抗层析成像(EIT)对真实电阻分布情况进行重建，进而得到判断损伤情况和损伤位置，实现碳纤维复合材料构件的无损评估和结构健康监测。
进一步的，步骤二中的所述利用柔性基材来制成具有定制图形的印刷电路板8：所述柔性基材为聚酰亚胺6，在所述聚酰亚胺6的表面上化学蚀刻出导电图形，所述导电图形为压延铜箔7，为保证所述印刷电路板8在厚度及尺寸的影响足够小，所述印刷电路板8为单层电路板，所述印刷电路板8单面设置所述压延铜箔7，所述印刷电路板8上还设置有通路孔(未示出)，所述通路孔与所述铜箔5一一对应。
进一步的，步骤二中的所述使用粘合剂将印刷电路板8贴附到航空泡沫2上，使得电极延伸出来：通过粘合剂将两张所述印刷电路板8的背面分别贴合在所述航空泡沫2两个表面，贴合后，所述电极可由内部延伸出来。
进一步的，步骤三中的所述使用径向编织机在贴附完印刷电路板8的航空泡沫2上进行编织，使得碳纤维4包裹在航空泡沫2外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件：订制用来固定所述航空泡沫2一端的夹具1，将所述夹具1安装在机械手上，使用径向编织机在贴附完毕后的所述航空泡沫2上进行编织，使得所述碳纤维4包裹在所述航空泡沫2外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件。
进一步的，步骤四中的所述基于测得的电压值使用电阻抗层析成像(EIT)对真实电阻分布情况进行重建：通过对电阻抗层析成像(EIT)在正问题和逆问题的求解，使用差分成像对测得的两种状态的电压值进行真实电导率的重建，通过电阻分布情况，进而得到判断损伤情况和损伤位置。
进一步的，所述正问题：为了重建内部电导率分布，需要求解不适定的ERT逆问题，在此前提上，需要一个数值正演模型，以便将内部电导率映射到边界测量值，为此，使用完整电极模型(CEM)，该模型使用有限元离散以下方程实现：
Figure BDA0003801753040000051
Figure BDA0003801753040000052
Figure BDA0003801753040000053
Figure BDA0003801753040000054
其中
Figure BDA0003801753040000055
是拉普拉斯算子，x代表域内的笛卡尔坐标，σ(x)和u(x)表示目标内的电导率分布和电势分布，el表示第L电极，Ul是相应电极上的电位测量值，Il表示在第L个电极上的电流注入，dS表示域的无穷小表面，zl表示第L电极与域之间的接触阻抗。
进一步的，所述逆问题：非线性ERT逆问题在概念上可以由V＝U(σ)观测模型表征，其中U是将σ映射到测量电压V的有限元正演模型，当测量值和正演模型精确匹配时，就解决了反问题(即L2范数最小化：||V-U(σ)||2＝0)，但这种情况是一种不切实际的理想化，因为测量噪声e始终存在，导致噪声修正观测模型被写成V＝U(σ)+e，由于存在噪声、数值建模误差、U(σ)的非线性以及用于求解逆优化问题的所得ERT矩阵的病态性，等式存在无穷多解，因此，在优化/求解非线性(绝对成像)逆问题时，需要高级正则化，以结合偏置先验信息和物理约束，使用差分成像，旨在基于两种不同状态(下标1和2分别代表基线和受损状态)的边界电压测量值ΔV的差异重建内导率Δσ的差异，公式如下：
ΔV＝V2-V1
Δσ＝σ2-σ1
Figure BDA0003801753040000056
Figure BDA0003801753040000061
其中J是线性化该点计算出的雅可比矩阵，Δe是状态1和状态2之间的测量噪声差，LR表示的是正则化矩阵，W是对角噪声加权矩阵。
具体地，选择具有高比强度和高比模量的航空泡沫2作为碳纤维复合材料构件夹层结构的芯材，将铜箔5剪裁成24个5×5mm的方形，均匀的排布在航空泡沫2的外表面，将其紧密无褶皱的贴附在航空泡沫2上；
以聚酰亚胺6为柔性基材，化学蚀刻出导电图形，导电图形为压延铜箔7，为保证印刷电路板8在厚度及尺寸的影响足够小，选择单层印刷电路板8，印刷电路板8单面设置压延铜箔7，印刷电路板8上还设置有通路孔(未示出)，通路孔与铜箔5一一对应，通过粘合剂将两张印刷电路板8的背面分别贴合在航空泡沫2两个表面，贴合后，电极可由内部延伸出来；
订制用来固定航空泡沫2一端的夹具1，将夹具1安装在机械手上，使用环形径向编织机在经过粘连后的航空泡沫2上进行编织，碳纤维4经过导向环3，经编织后使得碳纤维4包裹在航空泡沫2外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料，即成型叶片；
与传统的边缘安装电极不同，本次采用是内嵌式均匀分布的电极，所以不便使用传统相邻注入相邻测量的激励模式，采用新的蛇形激励模式确定电流注入以及电压测量的路径，通过对电阻抗层析成像(EIT)在正问题和逆问题的求解，使用差分成像对测得的两种状态的电压值进行真实电导率的重建，通过电阻分布情况，进而得到判断损伤情况和损伤位置，实现叶片的无损评估和结构健康监测。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (5)

1.一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，包括如下工艺步骤：
1)使用航空泡沫(2)作为碳纤维复合材料构件夹层结构的芯材，在航空泡沫(2)上等间距均匀的贴上固定尺寸的铜箔(5)来作为电极；
2)利用柔性基材来制成具有定制图形的印刷电路板(8)，使用粘合剂将印刷电路板(8)贴附到航空泡沫(2)上，使得电极延伸出来；
3)使用径向编织机在贴附完印刷电路板(8)的航空泡沫(2)上进行编织，使得碳纤维(4)包裹在航空泡沫(2)外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件；
4)采用蛇形激励模式来进行电流注入以及电压测量，基于测得的电压值使用电阻抗层析成像对真实电阻分布情况进行重建，进而得到判断损伤情况和损伤位置，实现碳纤维复合材料构件的无损评估和结构健康监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，其特征在于：步骤二中的所述利用柔性基材来制成具有定制图形的印刷电路板(8)：所述柔性基材为聚酰亚胺(6)，在所述聚酰亚胺(6)的表面上化学蚀刻出导电图形，所述导电图形为压延铜箔(7)，所述印刷电路板(8)为单层电路板，所述印刷电路板(8)单面设置所述压延铜箔(7)，所述印刷电路板(8)上还设置有通路孔，所述通路孔与所述铜箔(5)一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，其特征在于：步骤二中的所述使用粘合剂将印刷电路板(8)贴附到航空泡沫(2)上，使得电极延伸出来：通过粘合剂将两张所述印刷电路板(8)的背面分别贴合在所述航空泡沫(2)两个表面，贴合后，所述电极可由内部延伸出来。
4.根据权利要求3所述的一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，其特征在于：步骤三中的所述使用径向编织机在贴附完印刷电路板(8)的航空泡沫(2)上进行编织，使得碳纤维(4)包裹在航空泡沫(2)外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件：订制用来固定所述航空泡沫(2)一端的夹具(1)，将所述夹具(1)安装在机械手上，使用径向编织机在贴附完毕后的所述航空泡沫(2)上进行编织，使得所述碳纤维(4)包裹在所述航空泡沫(2)外部，再经过树脂填充作为基体形成碳纤维复合材料构件。
5.根据权利要求4所述的一种基于内嵌式分布电极的复合材料损伤监测方法，其特征在于：步骤四中的所述基于测得的电压值使用电阻抗层析成像对真实电阻分布情况进行重建：通过对电阻抗层析成像在正问题和逆问题的求解，使用差分成像对测得的两种状态的电压值进行真实电导率的重建，通过电阻分布情况，进而得到判断损伤情况和损伤位置。
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