【摘 要】
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碳纤维增强树脂基（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）复合材料因其比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优点,已在新一代民用客机等承力结构中获得广泛应用。由于材料自身制造缺陷、服役过程中外来物冲击等因素,会在材料中引入分层、脱粘乃至纤维断裂等损伤。在材料服役过程中对损伤进行原位在线检测,是获取结构服役中健康状态、动态评价结构可靠性与剩余寿命的基础,具有重要意
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碳纤维增强树脂基（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）复合材料因其比强度和比刚度高、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优点,已在新一代民用客机等承力结构中获得广泛应用。由于材料自身制造缺陷、服役过程中外来物冲击等因素,会在材料中引入分层、脱粘乃至纤维断裂等损伤。在材料服役过程中对损伤进行原位在线检测,是获取结构服役中健康状态、动态评价结构可靠性与剩余寿命的基础,具有重要意义。电阻层析成像方法（Electrical Resistance Tomography,ERT）通过在线监测损伤导致的材料电阻变化,重构电阻分布实现损伤识别、定位,无需停机检查即可获取损伤分布图像,且具备测量结果直观、物理意义明确等优势,为各类复合材料结构健康监测提供了一种快速准确的损伤监测技术。本文以CFRP层合板为研究对象,以损伤会导致碳纤维电阻变化为损伤识别特征,开展基于电阻层析成像（ERT）的碳纤维层合板的损伤定位研究,具体如下:（1）为满足ERT电阻分布重构中快速求解边界电压信号的需求,构建了层合板电阻网络模型、控制方程与求解方法。开展了电阻网络模型与有限元模型电势分布计算结果对比验证,分析了电阻网络模型的网格密度对电阻计算结果的影响。对比了不同ERT测量模式下损伤导致的电压信号扰动程度。结果表明,电阻网络模型能够准确求解边界电压响应、且随网格加密收敛;本文对ERT常用的相邻激励测量模式和相对激励测量模式做了改进设计,改进后的测量模式对损伤更加敏感。（2）以边界电压信号测量与计算值差异最小化为目标,建立电阻分布重构反问题的求解模型。建立了上述优化问题的N-R迭代求解方法,基于平板件面内两方向电阻加权、电阻相对变化率给出了损伤成像方法。采用人工解对上述损伤成像方法开展有效性验证,并分析了不同缺陷类型、不同测量模式、测量数据量、电阻网格密度等因素对成像结果的影响。结果表明,本文所建立的ERT方法能够准确识别人为设定的损伤位置,相邻测量模式识别准确率高于相对测量模式,电阻网格密度对损伤识别效果的影响不大。（3）将上述ERT方法用于含损伤CFRP平板件的损伤检测。所用试验件为150×100×2.1mm~3的平纹编织碳纤维增强树脂基材料,通过落锤冲击引入材料损伤,并设置了5J～9J冲击能量和不同冲击位置。开展了ERT测量电极连接、半自动化测量方法研究。开展了含损伤CFRP层板的测量与损伤成像,准确地识别出了冲击损伤位置,识别结果与实际位置的误差不超过平板尺寸的15%,证明了本文建立的基于ERT定位损伤的方法的有效性。本文提出的电阻层析成像定位损伤的方法,可以准确识别出冲击损伤位置,能够为飞行器在线损伤识别和健康监测提供技术支撑。
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