一种基于CFRP材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用

本发明属于飞机用复合材料部件的结构健康监测，尤其涉及一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用。

背景技术：

1、飞机在服役过程中，飞机各个部件都承受着高温、高压、疲劳荷载等，因此结构容易产生各种损伤进而造成飞机结构的破坏。当前，针对飞机结构的检测方法有埋设传感元件法、目测法、敲击法、x射线照相法、超声成像法、超声脉冲穿透法等，但这些方法存在破坏结构完整性、操作复杂、测试周期长、无法实现全场、全时域连续监测等不足。

2、cfrp(碳纤维复合材料)因其特有的高比刚度、高比强度、轻质高效及非金属性等特性，使其在工程领域尤其是航空航天领域得到广泛的应用。纵观cfrp在大飞机结构上的发展情况，无论是国外的波音787、空客a380，还是国内的商飞c919，其用量都呈增长趋势，且应用水平越来越高，结构应用从非承力结构向承力结构在向主承力结构扩展。

3、cfrp除了上述出色的力学特性外，还具有自感知、自传感与自监测的智能特性，因此，针对应用了cfrp材料的飞机部件，如何利用结构材料自身传感特性，实现针对结构准确、可靠、便捷、贯穿全寿命周期的检测，是当前急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用；本申请根据cfrp层合板构建其三维导电机理；再根据飞机结构受力特征，构建其应力/应变分布函数；构建飞机行车过程中温度影响因素；按照等距布置电极监测点；组合停车与行车工况实施监测；实现飞机机翼等部件的自感知、自传感与自监测。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，包括：

4、s1，以机身与机翼连接点的中心位置为坐标原点，以机翼展向为x轴，以机翼航向为y轴，以机翼垂向为z轴，构建直角坐标系(x,y,z)；

5、s2，基于cfrp材料在横截面上表现的各向异性，得到直角坐标系下每个方向的电流密度，并将每个方向的电流密度转换至球坐标(α,β,γ)中，基于坐标转换后的电流密度进一步推导出x、y与z这3个方向的电导率，表示为：

6、

7、其中，ix,iy,iz分别为x轴、y轴与z轴方向的电流密度，ψ(x,y,z)为电势函数。

8、s3，考虑受力、温度等影响因素对于飞机机翼中cfrp部件电导率的影响，因此分别构建受力、温度的损伤影响因子cf(x,y,z)、ct(x,y,z)；

9、s4，基于s1、s2、s3得飞机在运行时损伤判定模型，表示为：

10、mc＝ci(x,y,z)+cf(x,y,z)+ct(x,y,z)

11、利用上述损伤判定模型对飞机机翼中的cfrp部件进行结构健康监测。

12、进一步，直角坐标系中每个方向的电流密度表示为：

13、

14、其中，cxx,cyy,czz分别为x轴、y轴与z轴方向电导率。

15、进一步，在球坐标(α,β,γ)中电流密度表示为：

16、

17、其中，iα,iβ,iγ为坐标转换后的纵向、横向与厚度方向电流密度，qe为源强度，r为球半径，cxx,cyy,czz分别为x轴、y轴与z轴方向电导率。

18、进一步，构建受力的损伤影响因子cf(x,y,z)表示为：

19、以机翼为分析对象，对其受力进行分析得到机翼所受合力，构建机翼所受合力产生的应变与电导率之间的控制方程，故机翼所受合力对cfrp材料电导率的损伤影响因子，表示为：

20、

21、其中，ke为修正系数，fe为方向力，ae为方向面积，e为材料弹性模量。

22、进一步，构建温度的损伤影响因子ct(x,y,z)的过程为：

23、由于碳纤维中纤维增强项与环氧树脂基体项的有效热膨胀系数不同，在温度变化量δt的影响下cfrp材料会产生热应力，进而产生应变，温度对cfrp材料电导率的影响可表示为：

24、

25、其中，ke′为修正系数。

26、一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，包括如下步骤：

27、s1，以机身与机翼连接点的中心位置为坐标原点，以机翼展向为x轴，以机翼航向为y轴，以机翼垂向为z轴，构建直角坐标系(x,y,z)；在飞机机翼上选取监测点，每个监测点分别配备3个监测电极；3个监测电极分别获取该监测点对应机翼展向、机翼航向、机翼垂向的电导率值；

28、s2、获取机翼当前工况下的温度和受力情况；

29、s3、采用上述一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用损伤判定模型，将s1、s2所获取的数据输入到飞机机翼的损伤判定模型，输出当前电导率值；将当前电导率值与电导率-损伤数据库中数据进行比对，输出损伤判定结果。

30、进一步，对于任意监测点(x,y,z)对应的3个监测电极，监测点与其对应的3个电极中心的距离分别表示为：

31、{lx＝∫a1dx ly＝∫a1dy lz＝fa1dz}

32、其中，lx,ly,lz分别为任意一个监测点到3个方向电极中心的距离，a1,a2,a3分别为根据应变协调方程中对x、y与z方向位移进行偏微分求解的结果。

33、进一步，构建电导率-损伤数据库：

34、在实验/仿真环境下，分别对不同温度、不同受力工况条件下，机翼上电导率值进行检测，同时记录该工况下对应的损伤状态，以形成数据库。

35、本发明的有益效果如下：

36、1、本发明所提出的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，本方法中通过理论推导构建出cfrp层合板三维电导率模型与电势分布规律，对揭示cfrp导电机理与运用电阻法进行结构健康监测提供理论模型。

37、2、本发明所提出的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，本方法中通过数学物理方法构建了cfrp温度与电导率的关系，可以有效修正飞机在运行时的监测数据的精确性。

38、3、本发明所提出的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，较其他监测方法，本方法中通过理论推导，构建任意监测点3个方向的电极的布置方法，使得损伤监测更精确。

39、4、本发明所提出的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，基于结构自传感的监测理念，具有较好的可行性、优异性与可靠性，可以在机身结构、尾翼结构等部位实现监测与预警，为飞机的智慧运维提供技术支持。

技术特征：

1.一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，直角坐标系中每个方向的电流密度表示为：

3.根据权利要求1所述的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，在球坐标(α,β,γ)中电流密度表示为：

4.根据权利要求1所述的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，构建受力的损伤影响因子cf(x,y,z)表示为：

5.根据权利要求1所述的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，构建温度的损伤影响因子ct(x,y,z)的过程为：

6.一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，对于任意监测点(x,y,z)对应的3个监测电极，监测点与其对应的3个电极中心的距离分别表示为：

8.根据权利要求6所述的一种基于cfrp材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，其特征在于，构建电导率-损伤数据库：在实验/仿真环境下，分别对不同温度、不同受力工况条件下，机翼上电导率值进行检测，同时记录该工况下对应的损伤状态，以形成数据库。

技术总结
本发明公开了一种基于CFRP材料电导率特性构建飞机机翼损伤判定模型的方法及应用，以机身与机翼连接点的中心位置为坐标原点，以机翼展向为X轴，以机翼航向为Y轴，以机翼垂向为Z轴，构建直角坐标系；基于CFRP材料在横截面上表现的各向异性推导出X、Y与Z方向的电导率，考虑受力、温度等影响因素对于飞机机翼中CFRP部件电导率的影响，因此分别构建受力、温度的损伤影响因子；由此得飞机在运行时损伤判定模型；利用上述损伤判定模型对飞机机翼中的CFRP部件进行结构健康监测。

技术研发人员：经正男,刘荣桂,谢桂华
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/30