復合材料層合板作為一種先進的結構材料，在航空航天、交通運輸、建筑、機械、化工、電力、體育運動以及軍事等方面得到了廣泛應用，在諸多復合材料的應用中占據了很大的成分^[1,2]。然而，復合材料層合板在制備過程中不可避免地會產生一些內部缺陷，在使用過程中也會隨著時間的增加逐漸產生一些損傷。這些損傷的積累與擴展使得層合板結構的性能大為降低，剛度和強度急劇下降，甚至引發重大事故。因此，對復合材料層合板構件進行實時、有效的無損檢測，可及早發現問題，采取補救措施，從而延長構件的使用壽命，防止災難性事故的發生。
    裂紋是復合材料層合板的主要損傷類型之一，也是造成復合材料層合板失效的主要原因^[3,4]。因此，應該加強對復合材料層合板裂紋損傷的無損檢測和智能診斷技術的研究，找到簡便、實用的裂紋損傷診斷方法，及早發現裂紋的存在，進而采取措施阻止裂紋的擴展。
    復合材料層合板發生裂紋損傷時，其內部能量結構要發生變化，這些變化對外可以表現為動態特性要發生顯著的變化^[5~7]。因此，分別研究層合板在健康狀態下和裂紋損傷狀態下的動態特性，就可以分析建立裂紋損傷的診斷知識規則。先研究健康構件的信號，通過大量的實例統計出構件正常運行時的信號譜圖，并以此作為實時監測的判據，判斷構件在實時運行中是否處于損傷狀態。然后對裂紋損傷構件進行研究，找到裂紋損傷的典型信號特征，建立裂紋損傷的診斷知識庫。當構件在實際運行中動態特性出現異常時，可將實際信號與損傷典型信號進行對比，判斷構件內部是否發生裂紋損傷，并推理出裂紋損傷的置信度。
    具有正逆壓電效應的各類壓電材料是構造上述裂紋損傷在線監測與診斷系統的選材料之一^[8]。壓電元件既可作傳感器又可作驅動器，且頻響高，處理電路簡單。利用壓電材料進行復合材料層合板動態特性的測試，具有成本低廉、方便實用等特點。壓電材料可以作為復合材料的一個鋪層加入到材料中，和復合材料完全融合在一起，做到基本不影響材料原有性能^[9]。[-page-]
1 測試試樣制備
1.1 試樣糊制
    復合材料層合板試樣外形尺寸如圖1，共12層玻璃布，第6層和第7層之間放入四個壓電陶瓷片，放置位置如圖1所示。表1列出了復合材料層合板的原料配比。試樣在常溫下手糊成型。

 
    由于復合材料層合板是采用玻璃布和樹脂手糊成型，因此完全固化后要進行切割修整，以去除毛刺。修整后的試樣尺寸為290×440mm。

 
    試樣制備完畢后，對每一個試樣進行測試，其分析結果作為健康信號保存起來以便以后和損傷信號進行對比。
1.2 裂紋損傷的加工
    為了能夠分析出試樣在裂紋損傷狀態下的動態特性，需要將成型好的健康試樣加工成損傷狀態，然后進行損傷信號的測試分析。具體方法為使用刀具在試樣的中間沿寬度方向切開一個小缺口，以此來模擬層合板的裂紋。切口的尺寸為2×10mm，深度約為1.5mm，切槽為圓弧形。
2 實驗方案設計
    測試系統組成見圖2。

 
    信號發生器和壓電激振器組成激振部分，作為激振器的壓電片也作為傳感器使用。信號發生器發出持續的方波信號，通過壓電激振器在復合材料構件內產生振動信號，引起構件內部能量變化。壓電傳感器感受到復合材料構件的振動后輸出相應的信號，該信號經放大、濾波后送入數據采集儀進行數據采集，然后送入計算機進行信號處理。
    試驗機用來對裂紋試樣加壓，壓力信號由載荷傳感器拾取，再由數據采集儀的通道2采集轉換后送入電腦。試驗機加壓的同時依然用信號發生器發出持續的方波信號，通過壓電激振器在復合材料構件內產生振動信號，其響應由壓電傳感器測取后經數據采集儀的通道1送入電腦。
    裂紋試樣在加壓過程中內部應力會發生變化，隨著壓力的增大試樣內部的裂紋損傷會進一步加劇，直至試樣完全破壞。在這一過程中，壓力信號與振動信號能夠反映出試樣的動態特性隨壓力的變化過程。將損傷試樣動態特性的變化情況與健康試樣的動態特性進行比較，可判斷出試樣內部是否出現裂紋損傷以及損傷的程度。[-page-]
3 測試結果分析
3.1 層合板的頻域分析
    在做頻域分析時，先對每一個試樣做健康信號測試，將測得的時域信號進行頻域分析，得到相應的幅值譜和相位譜。綜合各試樣的表現，得到材料在健康狀態下的幅頻特性和相頻特性。然后對損傷試樣也同樣進行幅值譜和相位譜的分析。
    對比健康信號和損傷信號，可以得到損傷狀態下材料動態特性的特征變化，從而制定出裂紋損傷的診斷策略。這些診斷策略可以用來對復合材料層合構件中的裂紋損傷進行實時監測和診斷。
    圖3至圖8分別表示健康試件和裂紋試件的測試分析結果。

    觀察各裂紋試樣的頻域信號，可以看到總幅值有稍微下降，且幅值譜的低頻分量有向右移動的趨勢，且有新增加的高頻分量。此外，幅頻圖上的毛刺明顯增加，幅頻曲線遠不如健康信號干凈。從相位圖上看，基頻分量附近的相頻曲線顯著向負方向移動。
    分析出現以上現象的原因，由于試樣在外載荷作用下，內部會產生明顯的裂紋，裂紋擴展要消耗一部分外界的能量，這部分能量轉化為塑性應變能。對于聚合物而言，材料屈服后如果繼續受到外界載荷的作用，材料會出現應變硬化現象。此時若要繼續變形，就要施加更大的力且材料會表現出更大的剛度和強度^[10,11]。因此，由于剛度增大的緣故，試樣總的響應會有所下降，基礎頻率也會向高端移動。此外，由于裂紋的存在，材料內部會出現塑性變形，試樣的動態特性會因此而趨于一種不穩定狀態，反映在頻譜圖上就是通頻帶毛刺的出現。后，這種不穩定性也是高頻分量出現的原因之一。
    但是，外界環境的變化和測試設備的擾動也會給信號帶來毛刺，而且有時系統的擾動還會帶來高頻分量，所以毛刺的出現和輕微的高頻分量不應該作為損傷診斷的主要判據。同時，如果高頻分量的頻帶過高，分析時也有一定的困難，所以診斷規則中一般不包括甚高頻分量。[-page-]
3.2 層合板的小波分析
    為驗證頻域分析的結果，在進行頻譜分析的同時，對層合板也進行小波分析。圖9所示為小波分析的結果。

    分析及統計結果表明，試樣發生裂紋損傷時，中頻段信號（S132，S133，S134）幅度明顯變小，高頻段信號（S135，S136，S137）變得密集，而且增加了一些新的成分。因此，小波分析的結果同頻域分析相吻合。
4 結語
    綜合以上頻域分析和小波分析的結果，可以得到復合材料層合板裂紋損傷的診斷策略。
    裂紋損傷的診斷應從幅值入手，當系統的振幅呈規則下降且基頻有上升趨勢時，可以初步判斷有微裂紋形成。再依次檢查相位是否有負方向的移動，有無新的高頻分量出現及幅頻曲線是否出現有毛刺等因素，用以增加裂紋損傷的置信度。必要時可以同時利用頻域分析的結果和小波分析的結果，用來準確確定有無裂紋損傷以及損傷的置信度。
    隨著裂紋的擴展，裂紋的尺寸將加大，此時材料的應變硬化將不再起主要作用，材料會出現明顯的剛度損失。所以，裂紋擴展到一定程度后，系統的幅值會逐漸增大，同時基頻也會向低方向移動。裂紋進一步擴展，系統的響應會進一步增大。如果系統的幅頻響應和相頻響應均出現不穩定現象，說明裂紋已擴展到相當的程度，此時可以判定材料已經失效。
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