碳纤维增强聚合物复合板结构特征精确识别的FBG传感器优化布设评估

《Photonics》：Optimal FBG Sensor Layout Assessment for Accurate Structural Feature Recognition of Composite Plates

　　

碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料因高比强度与耐腐蚀性，在航空航天、轨道交通与能源工程中应用日广。然而其分层、基体开裂等损伤机制复杂耦合，给可靠的结构健康监测带来显著挑战。光纤布拉格光栅(FBG)传感器凭借体积小、抗电磁干扰、可嵌入及分布式应变测量能力，在复合材料监测中具有突出优势；但FBG传感网络效能高度依赖测点空间分布。研究人员提出一种有限元辅助框架，用于评估并改进复合板应变场重构与结构特征表征中的FBG传感器布局。该框架首先通过插值与平面最小二乘拟合由有限测点重构空间应变场，再依据重构误差与结构重要区空间覆盖率评价现有及候选布局；进而发展一种应变梯度启发式策略，融合高梯度区识别、空间均匀覆盖、最小距离约束与预设支撑区监测需求以改进布点。傅里叶最小二乘拟合在所考察方法中重构误差最低，故被采用为后续布局评价与改进的基础。有限元仿真与实验测量被用于评估静态与动态载荷下不同布局的重构性能及其优劣。结果表明，该框架能有效评价既有FBG布局并为改进提供系统化依据，同时揭示了局部应变梯度分辨与全局空间覆盖之间的权衡。该框架为面向性能的复合结构FBG传感网络设计与改进提供了实用指导。

研究背景方面，碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料凭借耐腐蚀、轻量、高强与设计性强等特点，在航空航天、交通与能源装备中占比持续提升；但其服役中易出现分层、脱粘、基体开裂与纤维断裂等隐蔽损伤，传统无损检测(NDT)如超声(UT)、声发射(AET)、红外热像、涡流(ECT)与X射线断层(XCT)多属离线周期检查，难以实时连续监测。光纤传感尤其是光纤布拉格光栅(FBG)传感器可表面粘贴或内嵌，具备抗电磁干扰、分布式测量与绝对波长编码优势，但测点空间分布直接决定应变场重构精度与损伤识别灵敏度。为此，研究人员以450 mm×450 mm×3 mm、铺层为(0/90/0/90/0/90)的四边局部夹持CFRP板为对象，建立有限元辅助的FBG布点评估与改进框架。

关键技术方法上，研究人员采用COMSOL Multiphysics构建多层各向异性CFRP板线性弹性有限元模型，提取静载（三点集中力）与动态斜坡线载下全场面应变数据；以9696个原始节点为基准，对比线性插值、双三次样条插值、多项式最小二乘拟合与二维傅里叶最小二乘拟合的重构误差；在此基础上提出融合应变梯度识别（中心差分求?ε）、边界剔除、贪婪选点、均匀采样与最小欧氏距离约束的混合布点算法，并固定16测点（12内部优化+4支撑近区预设）配置；最后通过T700 2K CFRP板外贴多FBG（SI-155解调仪，灵敏度1.2 pm/με）静载（10–100 N）与0.75 Hz疲劳动载实验交叉验证。

研究结果部分，引言指出复合板损伤模式与NDT局限，明确FBG准分布式与点式感知原理，确立以应变场重构误差最小、损伤敏感区覆盖最大、传感器数最少为设计准则。特征识别方法章节系统比较UT、AET、红外、ECT、XCT与光纤传感适用性，论证FBG在实时多物理场监测中的不可替代性。最优布点设计章节中，有限元建模给出几何、铺层与网格（近载近支撑2 mm、其余5 mm，约28000六面体单元）；静态载荷应变云图分析表明双三次样条优于线性插值，而傅里叶最小二乘拟合相较多项式拟合（5阶出现载荷点丢失与过拟合）残差最大仅1.914×10^?4，傅里叶法在静载下残差更低且可解析求一二阶导；动态载荷（1 s斜坡线载500 N/m）下傅里叶最小二乘最大残差1.446×10^?4，显著优于另两者，且全局基函数可规避凸包外NaN外推问题。最优布点算法小节通过应变梯度幅值排序、β=0.1边界剔除、d_min最小距离约束选出12内部点（6高梯度+6均匀），加入4支撑近区预设点成16点；灵敏度分析显示N=16时全局RMSE 1.91×10^?4，继续增点到40仅再降约10.5%，性能—成本指标J(N)=NRMSE+0.1·N/40在N=16取最小；高/均匀比6:6在临界区MAE与全局NRMSE间取得最佳平衡。实验验证章节中，静态8点FBG傅里叶重构云图与载荷偏左实际一致；动态14点经去趋势与0.3 Hz四阶Butterworth低通后，RMS应变0.41–0.64 με、峰值1.75–3.11 με，主导低频0.05–0.11 Hz（非0.75 Hz激振频率），复合重要性得分S_i（权重0.30/0.25/0.25/0.20）排前5为点4、2、9、3、12，PCA首成分中点4贡献约14.0%，印证约束边与载荷区应加密布点。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出该有限元辅助框架能系统评价既有FBG布局并以傅里叶最小二乘为重构内核、以应变梯度启发式结合均匀覆盖与最小距离约束改进布点，在静动态载荷下以16测点配置平衡了局部梯度分辨与全局覆盖的权衡；实验交叉验证支持仿真布点的工程合理性，形成“仿真引导布点—实测标定模型”闭环。该工作为复合结构结构健康监测中面向性能的FBG传感网络设计提供了可复用的程序化依据，相关成果发表于《Photonics》。