复合材料层合板裂纹诊断的实验研究

信号发生器和压电激振器组成激振部分，作为激振器的压电片也作为传感器使用。信号发生器发出持续的方波信号，通过压电激振器在复合材料构件内产生振动信号，引起构件内部能量变化。压电传感器感受到复合材料构件的振动后输出相应的信号，该信号经放大、滤波后送入数据采集仪进行数据采集，然后送入计算机进行信号处理。
       试验机用来对裂纹试样加压，压力信号由载荷传感器拾取，再由数据采集仪的通道2采集转换后送入电脑。试验机加压的同时依然用信号发生器发出持续的方波信号，通过压电激振器在复合材料构件内产生振动信号，其响应由压电传感器测取后经数据采集仪的通道1送入电脑。
       裂纹试样在加压过程中内部应力会发生变化，随着压力的增大试样内部的裂纹损伤会进一步加剧，直至试样完全破坏。在这一过程中，压力信号与振动信号能够反映出试样的动态特性随压力的变化过程。将损伤试样动态特性的变化情况与健康试样的动态特性进行比较，可判断出试样内部是否出现裂纹损伤以及损伤的程度。
3 测试结果分析
       3.1 层合板的频域分析
       在做频域分析时，首先对每一个试样做健康信号测试，将测得的时域信号进行频域分析，得到相应的幅值谱和相位谱。综合各试样的表现，得到材料在健康状态下的幅频特性和相频特性。然后对损伤试样也同样进行幅值谱和相位谱的分析。
       对比健康信号和损伤信号，可以得到损伤状态下材料动态特性的特征变化，从而制定出裂纹损伤的诊断策略。这些诊断策略可以用来对复合材料层合构件中的裂纹损伤进行实时监测和诊断。
    图3至图8分别表示健康试件和裂纹试件的测试分析结果。




       观察各裂纹试样的频域信号，可以看到总幅值有稍微下降，且幅值谱的低频分量有向右移动的趋势，且有新增加的高频分量。此外，幅频图上的毛刺明显增加，幅频曲线远不如健康信号干净。从相位图上看，基频分量附近的相频曲线显著向负方向移动。
       分析出现以上现象的原因，由于试样在外载荷作用下，内部会产生明显的裂纹，裂纹扩展要消耗一部分外界的能量，这部分能量转化为塑性应变能。对于聚合物而言，材料屈服后如果继续受到外界载荷的作用，材料会出现应变硬化现象。此时若要继续变形，就要施加更大的力且材料会表现出更大的刚度和强度[10,11]。因此，由于刚度增大的缘故，试样总的响应会有所下降，基础频率也会向高端移动。此外，由于裂纹的存在，材料内部会出现塑性变形，试样的动态特性会因此而趋于一种不稳定状态，反映在频谱图上就是通频带毛刺的出现。最后，这种不稳定性也是高频分量出现的原因之一。
       但是，外界环境的变化和测试设备的扰动也会给信号带来毛刺，而且有时系统的扰动还会带来高频分量，所以毛刺的出现和轻微的高频分量不应该作为损伤诊断的主要判据。同时，如果高频分量的频带过高，分析时也有一定的困难，所以诊断规则中一般不包括甚高频分量。
3.2 层合板的小波分析
       为验证频域分析的结果，在进行频谱分析的同时，对层合板也进行小波分析。图9所示为小波分析的结果。

   分析及统计结果表明，试样发生裂纹损伤时，中频段信号（S132，S133，S134）幅度明显变小，高频段信号（S135，S136，S137）变得密集，而且增加了一些新的成分。因此，小波分析的结果同频域分析相吻合。
4 结语
       综合以上频域分析和小波分析的结果，可以得到复合材料层合板裂纹损伤的诊断策略。
       裂纹损伤的诊断应从幅值入手，当系统的振幅呈规则下降且基频有上升趋势时，可以初步判断有微裂纹形成。再依次检查相位是否有负方向的移动，有无新的高频分量出现及幅频曲线是否出现有毛刺等因素，用以增加裂纹损伤的置信度。必要时可以同时利用频域分析的结果和小波分析的结果，用来准确确定有无裂纹损伤以及损伤的置信度。
        随着裂纹的扩展，裂纹的尺寸将加大，此时材料的应变硬化将不再起主要作用，材料会出现明显的刚度损失。所以，裂纹扩展到一定程度后，系统的幅值会逐渐增大，同时基频也会向低方向移动。裂纹进一步扩展，系统的响应会进一步增大。如果系统的幅频响应和相频响应均出现不稳定现象，说明裂纹已扩展到相当的程度，此时可以判定材料已经失效。