Page 58 - 无损检测2025年第一期

王霞光，等：

基于压电导波的复合材料帽型加筋壁板损伤监测

运行是极有必要的。 壁板为试验对象，分析加筋损伤的压电导波特性，并
结构健康监测是通过布置在结构中的传感器获 开展帽型加筋区域的损伤监测技术分析。
取结构状态特征信号，进而评估结构健康状态的过
1 压电导波监测方法
程 。近些年，健康监测手段逐渐发展出导波、应变、
[4]
声发射和机器视觉等多种先进技术，其中，导波监测 帽型加筋的筋条和基体界面构成封闭结构，该
技术因传感器成本低、对损伤敏感程度高而受到广 结构含有多个平面，使得导波传播的路径更加多样
泛关注 [5-7] ，在复合材料结构损伤监测中也取得了较 化，极大增加了导波的复杂程度。为了解导波在帽
好的进展。复合材料常见的结构加强形式有T型加 型加筋结构中的传播机理，文章采用ABAQUS软件
筋、L型加筋和帽型加筋。其中T型和L型加筋类 对导波在该结构中的传播进行有限元仿真。
似，其横截面一面与复合材料基体共面，另一面垂直 以某复合材料帽型加筋壁板的筋条结构为例，
于复合材料基体，因结构相对简单，在近些年的压电 该筋条材料为T700，铺层为5层，铺层方式为不等
导波监测中受到重视。以T型加筋为例， 朱程燕等 [8] 角铺层，方向角分别为90°， -45°，0°，45°，90°，总厚
利用主动导波监测技术对碳纤维复合材料T型接头 度为2 mm，壁板基体与筋条材料的铺层和厚度均
界面脱黏及扩展进行了识别；刘彬等 利用基于导 相同。筋条截面为等腰梯形，腰长为28. 58 mm，倾
[9]
波的损伤概率成像方法对复合材料T型接头的损伤 角为 60°， 上下边长度分别为 24. 60，52. 32 mm，水
位置进行判别；WHITTINGHAM等 [10] 通过压电信 平方向长度为122 mm。以该帽型加筋为分析对象，
号的频谱分析，实现了T型接头的脱层监测。相比 建立二维有限元实体模型。帽型加筋截面尺寸示意
于T型加筋和L型加筋，帽型加筋的横截面呈封闭 与仿真模型如图1所示。在模型中选取A， B， C， D
多边形状，有多个面不与壁板共面，该结构意味着其 共计4个点， A点和D点距离左、右侧边的距离均为
独立于复材壁板基体的面积更大，受到冲击等意外 20 mm， B点和C点分别为筋条上缘和基体上表面
损伤的可能性也更大。此外，帽型加筋的封闭式传 的正中心位置。在A点处设置导波激励源， B， C， D
力结构使得其载荷传递过程更加复杂，损伤形式也 3点为导波接收点。在整个模型上划分出二维四边
更加多样，而与之对应的帽型加筋的健康监测研究 形实体网格单元，单元长度设置为1 mm，整个模型
相对较少。鉴于此，文章以含帽型加筋的复合材料 单元总数量为56 000个。

图 1 帽型加筋截面尺寸示意与仿真模型
根据文献 [11]，对结构进行导波有限元仿真
模拟时，可以将激励传感器的压电激励载荷简化
为集中力作为导波激励。在该模型中，对 A点施
加动态集中力作为激励源，力的方向与复材基体
方向呈 45°，即图 1（b）中箭头方向，沿此方向的动
态集中力载荷将在结构中激励出对称和反对称两
种导波模态。激励形式采用汉宁加窗五波峰正弦
信号，其中心频率为 150 kHz，激励源波形如图 2
所示。
图 2 五波峰激励信号波形
分析方法采用隐式动力学，时间步长为 5×
10 s，全部计算过程共用时24 s。对计算结果进行 传播至帽型加筋的左侧分离处，并开始出现分离的
−7
提取，不同时刻下，结构的垂直方向位移波场响应矢 迹象；22. 9 μs时响应波场明显分离成两部分，并沿
量图如图3所示，可以看出，7. 5 μs时位移响应波场 着基体和筋条各自传播；29. 2 μs时两股波场进一步

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2025 年 第 47 卷 第 1 期
无损检测