含缺陷自動鋪絲復合材料構件的損傷失效機理研究

自動鋪絲技術在復雜大曲率復合材料構件的成型方面表現出了強大的優(yōu)勢，為幾何形狀復雜的復合材料層合結構的制備提供了極大的靈活性。此外，通過曲線路徑的鋪設可以制造變剛度層合結構，從而充分利用復合材料各向異性材料特征，使材料分配更利于結構承載方向。采用自動鋪絲技術整體制造復合材料機身無論從機身整體性能還是從材料制造技術層面來看均具有突出的優(yōu)勢，可能成為復合材料機身技術的一種標準。在我國大飛機工程已全面開展的背景下，發(fā)展和應用自動鋪放成型技術來提高復合材料制造水平、提高效率和降低成本已是大勢所趨。自動鋪放技術的最終產品具有力學的不確定性，而這種力學性能的不確定性導致了纖維缺陷，含有初始缺陷的產品服役過程中在靜/動載荷作用下損傷可能會出現擴展甚至導致結構的早期失效。直面時間和成本問題，盡快發(fā)展一套針對此類結構的力學性能評估和承載能力預測的理論方法和數值計算工具具有重要科學意義和工程價值。本項研究針對此項重大需求，開展了基于自動鋪絲技術含工藝缺陷復合材料構件的力學性能評估和相應的結構損傷演化、破壞機制和承載能力預測方面的理論和仿真方法工作，開發(fā)了計算評估軟件，為自動鋪絲工藝技術的研究和應用建立了技術儲備。 2100433B

本項目擬對含缺陷自動鋪絲復合材料構件的損傷失效機理和承載能力開展研究，針對含間隙、重疊、間隙/重疊、扭曲波紋四種典型纖維鋪放缺陷，開展復合材料板殼的損傷演化行為的實驗研究；發(fā)展典型缺陷相應的損傷斷裂力學理論，建立適用的損傷分析模型來分析其損傷演變規(guī)律和失效行為；發(fā)展變角度鋪設、變剛度層合結構的剛度計算理論，提出相應的有限元分析方法；針對預設不同鋪放缺陷形式的加筋板殼結構，開展其屈曲和后屈曲過程中的損傷失效行為和承載能力研究，為含缺陷自動鋪絲復合材料構件的力學性能評估提供分析工具。

《復合材料及結構的缺陷與損傷》致力于提供有關先進復合材料及結構的缺陷與損傷的詳細描述。在過去50年中，關于先進復合材料缺陷與損傷的研究在各種報告和文章中均有討論。20世紀70年代至90年代期間的大部分研究工作相對于今天對復合材料及結構的技術理解來說并沒有失去相關性。事實上，目前在復合材料缺陷和損傷領域的工作僅證實了早期的相關研究和成果是相關的和適用的。

《復合材料及結構的缺陷與損傷》將過去幾十年關于復合材料缺陷與損傷方面的信息、數據和知識進行了全面的總結，并將作者本人在職期間對于復合材料機身的維護和修理經驗增加到《復合材料及結構的缺陷與損傷》中，從結構完整性角度研究損傷的危害性，并探討了損傷識別的相關性，以及如何修復缺陷和損傷。

《復合材料及結構的缺陷與損傷》第1章概述了復合材料的一般應用情況以及復合材料缺陷與損傷的基本定義；第2章對復合材料及結構的缺陷與損傷類型進行描述，根據尺寸、產生情況和位置等因素對缺陷與損傷進行分類，對缺陷與損傷的類型進行概括；第3章介紹不同類型的無損檢測（NDI）方法，這些NDI方法可以用于發(fā)現和識別缺陷與損傷，提供不同層次的細節(jié)和描述；第4章回顧復合材料缺陷的基本失效模式和機理，確定應力狀態(tài)對具有缺陷的復合材料結構（第5章）的影響；第5章確定造成結構完整性缺失的一般缺陷類型，如基體開裂、分層和纖維斷裂，并給出相關建議，以確定影響復合材料及結構的功能性能的應力狀態(tài)和缺陷/損傷嚴重性；最后，第6章描述用于復合材料缺陷和損傷修復的推薦方法。

在試驗觀察和研究含損傷先進復合材料格柵加筋結構（AGS）服役期的后繼損傷、破壞及其失效特征的基礎上，采用理論和實驗相結合的方法，建立含損傷格柵加筋結構的破壞全過程數值仿真的分析理論、模型和方法，通過工程典型含損傷復合材料格柵加筋結構的參數討論，系統(tǒng)地研究先進復合材料格柵加筋結構在承載過程中可能出現的多種損傷形式和擴展方式，以及多種損傷形式間的耦合效應；預測結構的剩余承載能力，為該類結構的損傷容限的制定提供理論依據。本項目的研究成果將為我國航空和航天結構分析工作者和設計師們提供先進復合材料格柵加筋結構的損傷容限設計思想和方法，以促進我國先進復合材料格柵加筋結構的應用和研究領域的發(fā)展，故具有重要的理論意義和工程價值。 2100433B

紅外熱成像檢測由于非接觸、快速診斷、檢測面積大等諸多優(yōu)點被廣泛應用于復合材料構件的無損檢測。但存在紅外圖像信噪比低、檢測信息源較單一、缺陷量化診斷精度不高等瓶頸問題?；诩t外熱成像的復合材料構件無損檢測的關鍵在于如何對復雜構件表面溫度場進行快速、準確、動態(tài)的測量，以及如何對采集的紅外溫度場信息有效處理獲得復合材料缺陷的定性、定量檢測結果。因此該項目積極開展基于紅外、可見光、深度多源異構信號處理和融合互補的復合材料構件無損檢測技術研究。在紅外無損探測過程中的信息采集、信息優(yōu)化、信息分析三個重要環(huán)節(jié)進行創(chuàng)新理論研究。首先，探索長波紅外成像系統(tǒng)的噪聲產生機理和特征分布規(guī)律，提出紅外信號固定模式噪聲的補償算法和低像素特征重建模型，解決制約紅外熱成像儀器工作性能的瓶頸問題。其次，探索多源異構數據中互信息特征的構建機制，研究復雜場景中多源異構數據的時空精確匹配方法，支持紅外溫度測量任務中信息采集方式的維度擴展。最后，探索多源信息的融合互補方法，研究基于大數據深度學習的多源信號特征提取技術，提出在復雜背景噪聲干擾下微弱/隱形缺陷檢測深度網絡模型的有效訓練方法。研究成果為提升紅外溫度信號質量和解決缺陷診斷量化問題提供技術途徑，可有效提升紅外無損檢測技術的應用范圍和診斷精度。項目研究成果共發(fā)表/錄用SCI論文15篇（JCR Q1論文3篇），英文著作章節(jié)1章，EI論文2篇。其中1篇論文被Applied Optics期刊選為2018年6月的編輯精選論文（Editor's Pick Paper），1篇論文被Optics Express期刊選為2018 Top Downloaded Articles In Imaging Systems and Displays，并應邀在國內測試領域期刊《振動、測試與診斷》上發(fā)表題為“紅外熱成像信號處理技術的研究進展”的專家論壇特邀論文。相關科研成果獲得國內外相關領域專家關注，目前與中國航天科工集團二院二部、華為科技有限公司，法國ULIS（歐洲最大紅外芯片制造廠商）積極開展科研合作。 2100433B