基于碳纳米管薄膜电阻抗成像的复合材料结构损伤识别

发布时间：2020-06-15 21:21

【摘要】：复合材料以其一系列的优点在航空航天领域得到了普遍应用,但复合材料结构在制造和使用过程中不可避免地会产生损伤,威胁结构的使用安全,因此近年来复合材料结构健康监测的相关技术得到广泛关注。随着纳米技术的飞速发展,碳纳米管因其良好的自感应能力逐渐被应用在复合材料结构健康监测领域。基于此,本文提出将碳纳米管薄膜作为智能感知层,布置在复合材料结构层间或表面,结合电阻抗成像技术,根据碳纳米管薄膜边界电压值的变化,重建损伤引起的电导率变化分布图像,以确定结构损伤情况。本文的主要研究工作有:首先,对碳纳米管薄膜与复合材料集成后的力学性能进行了实验研究,探讨了碳纳米管薄膜对复合材料层间断裂韧性的影响。其次,在深入理解电阻抗成像系统相关电磁场理论的基础上,建立了电阻抗成像正问题的数学模型,并通过有限元法对正问题进行求解。然后,对电阻抗成像重建算法进行了研究,介绍了传统的Tikhonov正则化,并选用L曲线法和GCV准则确定恰当的正则化参数;提出了一种基于贝叶斯正则化的电阻抗成像算法,能够自适应地确定正则化参数,实现损伤的稳定成像识别;采用了基于L1范数正则化的最小二乘法重建损伤引起的电导率变化分布图像,结合内点法进行反演,更好地确定损伤边界范围。接下来,结合通用有限元软件ANSYS对基于碳纳米管薄膜的复合材料损伤识别进行数值仿真分析,根据所得数据,利用以上三种正则化方法分别进行损伤重建,比较各算法的重建图像质量,验证了该实验方案的可行性。最后,开发了一套电学成像实验测试系统并进行了相关实验研究,分别考虑玻璃纤维层合板的孔洞损伤和复合材料无人机机翼的低速冲击损伤两种形式,实验结果验证了本文所提出方法的可行性和有效性。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33
【图文】：

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料因其质量轻，隔热、隔音、减震效果好，比强度高、抗腐蚀、耐高（飞行器中获得了广泛的应用。随着材料工艺的成熟及产品质量的不断提航空航天领域的使用比例大幅度提升，有些已经代替金属成为某些核心使得航空航天技术的发展得到了质的飞跃。据资料显示，波音 B787“梦量达到了 50%，如图 1.1 所示；最新的空客 A350XWB 飞机复合材料的]。我国正在研制生产的 C919 客机，也使用了一定量的复合材料，用来减高飞机的综合性能。但复合材料带来的安全性问题需要引起足够的重视技术领域，各种地面火炮、新型导弹等对空武器威力不断增强，现代军临着更大的威胁，飞机结构不可避免的会受到地面火炮或导弹碎片的高成高速冲击损伤，威胁到飞机的安全[2]。另一方面，复合材料结构在制避免地会受到损伤，尤其是外物低速冲击，如冰雹和砂石撞击、工具跌伤，出现界面脱胶、分层、裂缝等损伤情况，严重削弱结构的强度和稳伤在结构外表面很难被察觉到，如果这些损伤不能够被及时发现而任其性的后果。因此，随着先进复合材料在航空航天领域的普遍使用，对复行持续的监测和准确的评估已经越来越迫切。

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(b)碳纳米管改性集合物 (c)碳纳米管线 (d)碳纳米管薄膜图 1.3 碳纳米管示意图及其用于复合材料结构健康监测的主要形式内外研究现状分析纳米管在复合材料结构健康监测中应用日本科学家 S. Iijima 教授在 1991 年利用真空电弧蒸发石墨电极发现多壁碳纳年进一步发现单壁碳纳米管以来，碳纳米管以其独特的光、电、热、力学及化围内的研究热点之一[10,11]。由于碳纳米管的碳原子是以化学键 C-C 键相结合键使其具有很高的轴向强度、韧性和弹性模量，即具备了良好的力学性能。实验结果均表明，碳纳米管具有很高的弹性模量（甚至可超过 1TPa）；碳纳强度的 100 倍；碳纳米管具有很好的变形性能，弹性应变最高可达 12%；此性能、导电性能均比较优异[8,12]。通常，碳纳米管主要可以通过化学气相沉和激光蒸发法获得，其中相对而言，化学气相沉积法制备的碳纳米管缺陷较产过程易于控制，有着较好的工业应用前景。因而，碳纳米管材料和传感器轻、易集成、数据采集成本低、可增强复合材料力学性能等一系列优点，近

【参考文献】