含有小尺寸分层缺陷复合材料压力容器的应变响应及分析

采用乙烯基酯树脂预浸料,利用缠绕法制造了ECR耐腐蚀玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料压力容器,在水压试验过程中基于电测法测量压力容器筒体的应变变化情况,结合Abaqus/Explicit有限元模拟重点预测了含有内部分层缺陷的压力容器在外载荷作用下的应变响应。试验和模拟结果表明:该有限元模型的结果与实验结果的相对误差小于12%;当含有内部分层缺陷(缺陷直径分别为10、20、30、40和50 mm)的复合材料压力容器受到位移载荷时,周向应变是主要应变,最大纵向应变和Mises应力位置与加载位置重合,且最大Mises应力随分层面积的增加而增大。     

埋入式F-P光纤应变传感器在混凝土桥梁健康监测中的应用研究

对基于白光干涉的埋入式F_P光纤应变传感器的测试原理及主要结构参数进行了分析,介绍了该埋入式传感器的研制工艺特点。通过对传感器的性能考核试验,验证了该传感器具有优良的精度稳定性和耐久性,通过秦沈客运专线辽河特大桥施工过程监测试验,验证了该传感器满足桥梁施工现场复杂状况下混凝土结构应变监测的要求。由于该传感器的成本不及同类型进口产品的1/5,具有广阔的普及应用前景。     

埋入式光纤光栅应变测量系统的设计

埋入式光纤光栅应变传感器作为大型土木结构健康监测的智能元件具有很好的发展前景。讨论了埋入式光纤光栅应变传感器的传感机理，设计了埋入式光纤光栅应变测量系统。从力学角度阐述了光栅传感探头的结构和制作工艺。采用可调谐F-P滤波器对光栅信号进行解调，解决了应变与温度交叉敏感问题。系统对应变的测量范围为0～1500με。通过理论分析证实了系统方案的可行性。     

表面等离子体波光纤传感器应用于复合材料固化监测的研究

对适用于机敏结构的表面等离子体波光纤传感器进行了初步的研究。将这种光纤传感器埋入复合材料结构就构成了所谓机敏结构。这种机敏结构既可进行复合材料的固化监测,又可进行应变检测。有利于传感器数量的减少和布置的简化,减少了传感元件的埋入对结构本身性能的影响。可以充分发挥光纤传感器对结构进行全过程监测的优点,具有广泛的应用前景。     

光纤网络用于复合材料结构状态检测的研究

本文提出一种采用埋入式光纤传感器对复合材料结构状态进行无损检测的新方法。并将两析颖的、结构简单的光纤传感网络埋入教－１１飞机的层合复合材料垂直尾翼试件内,对结构内应变,应力以及由于外部冲击造成的损伤等状态参数进行检测,实验结果显示了该方法的可行性。     

含有断裂缺陷的复合材料壳体的力学行为

利用湿法缠绕制备了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料壳体,通过拉伸、双悬臂梁和三点端部开口弯曲试验对该复合材料层合板进行基本力学性能评估,得到强度和刚度参数并用于有限元模拟中。同时,在Abaqus中建立了含有不同深度断裂缺陷复合材料壳体的三维渐进损伤有限元模型,预测内压作用下壳体的力学响应。试验和模拟结果表明:复合材料主向拉伸强度为(222.7±18)MPa,弹性模量为39.39 GPa,Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧性层间强度分别为(4.67±0.24)和(4.98±0.26)kJ/m~2。随着内压增大,Mises应力也不断增大;当断裂缺陷在最深层(接近内压的第一层,深度为18 mm)时,Mises应力最大;当内压为0.3 MPa时,Mises应力高达28.8 MPa,且周向应变小于纵向应变。     

基于原位测量的复合材料冲击损伤定位

针对连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维(GF)增强环氧树脂基复合材料层合板两类典型结构,开展了基于原位测量的冲击损伤定位研究。利用碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板自身的导电性,设计了电极阵列,考察了板厚对定位结果的影响;对于不导电玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板,设计并制备了多壁碳纳米管涂覆的玻璃纤维束(MWCNT@GF)传感器,并将MWCNT@GF嵌入层合板中形成传感网络,考察了不同入射角度对定位结果的影响。对于上述两种方法,编制了冲击损伤成像算法。结果表明:利用冲击前后碳纤维自身电阻和嵌入MWCNT@GF传感器的方法,可准确定位碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板和玻璃纤维/环氧树脂基复合材料层合板的冲击损伤。     

SiC纤维增强Ti17合金复合材料轴向残余应力的拉曼光谱和X射线衍射法对比研究

准确测量和分析SiC纤维增强Ti合金复合材料(SiC_f/Ti)中残余应力状态对优化复合材料的成型工艺和理解其失效模式具有重要意义,但其残余应力的实验测量和分析仍是一个挑战.石墨C涂层作为SiC纤维与Ti17基体合金之间必需的扩散障涂层,承载了由纤维与基体之间热不匹配引入的残余应力.本文采用显微拉曼光谱法对比测量纤维表面C涂层在复合材料中和去掉基体无应力态下G峰的峰位,通过石墨C涂层应力态下峰位移动计算出SiCf/C/Ti17复合材料中SiC纤维受到～705.0 MPa的残余压应力.采用X射线衍射方法测量了不同方向上该复合材料中基体钛合金的晶面间距以获取其空间应变,根据三轴应力模型分析了复合材料中基体钛合金沿轴向方向的残余应力为～701.3 MPa的张应力,并通过线性弹性理论转化为SiC纤维的残余压应力为～759.4 MPa.两种测试方法都确定了SiC纤维在成型过程中受到残余压应力,且获得的应力值较为接近,都可以用于对SiC_f/Ti复合材料的残余应力测量.     

光纤传感阵列用于智能复合材料状态监测的研究

以光纤智能材料与结构中的损伤估计为目的,提出了一种新颖的、利用多模光纤缠绕尼龙筋式的传感器,由这种传感器组成的传感阵列可以对智能材料与结构的受力、应变等参量进行检测,并采用ＯＴＤＲ 技术实时处理其输出的并行分布式传感信号,给出了测试数据、识别结果。在复合材料构件上的初步实验表明此系统能够对结构的状态进行在线监测和估计,在航空航天、船舶工业和土木建筑等领域有着潜在的实用价值。     

光纤光栅应变传感器光-力转换的理论方程

光纤光栅(FBG)应变传感器的光-力转换方程,为其标准化设计、参数标定及精度分析的理论依据.基于Ansari光纤传感器的应变传递分析模型及弹性力学的基本理论,建立了统一的埋入式光纤光栅应变传感器光-力转换的基本理论方程.方程的建立反映了传感器复合体内部及其与观测环境之间的力学耦合机制,考虑了应变传递分析模型的各边界条件、变形协调条件,以及传感器的所有几何尺寸.对传感器实例的实验研究表明,这一理论方程基本可靠,可成为光纤光栅应变传感器优化设计和性能分析的实用化理论工具.     

光纤光栅压力传感器的理论建模及实验研究

鉴于压力传感器为工业生产中压力监控的一种必不可少的设备,分析了光纤光栅中心波长与光纤光栅应变之间的关系,阐述了带有硬中心的圆形膜片受到均匀压之后,膜片中心的挠度与压力之间的数学关系。在此基础上设计了圆形膜片作为流体压力转化光纤光栅敏感物理量的元件,并结合辅助元件完成对光纤光栅传感器组装,建立了传感器输入输出之间的线性数学模型。通过实验验证传感器线性度和重复性,运用数学计算得出了光纤光栅压力传感器各项参数,灵敏度Km=-0.658 nm/MPa,初始波长0=1 578.441 nm,为后期传感器稳定性作好了铺垫。     

压缩载荷下UHMWPE纤维复合材料层合板的力学性能与失效分析

为获得超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能与失效模式,采用万能材料试验机和分离式霍普金森压杆对材料进行面外方向的压缩实验,获得了不同应变率下材料的应力-应变关系。通过扫描电子显微镜观察材料微观失效形貌,分析了材料的失效模式。结果表明,UHMWPE纤维复合材料层合板在应变率较低(6.7×10^-3～6.7×10^-2 s^-1)且相差较小时,无应变率效应;在高应变率(2.05×10³～5.27×10³ s^-1)下,材料具有明显的应变率效应。压缩强度随应变率的增加而增大,动态增强因子逐渐增大,具有明显的应变率强化效应。静态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纤维的拉伸、断裂;动态压缩载荷下,材料的主要破坏模式为纵向位错分层。     

基于偏斜度、陡峭度特征的光纤布拉格光栅冲击载荷定位

针对复合材料结构上低速冲击载荷位置识别问题,通过构建分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感网络,分析了光纤布拉格光栅传感器感知的冲击响应信号时间序列的偏斜度、陡峭度与到传感器之间距离的关系。通过不同位置传感器感知的冲击响应信号的偏斜度和陡峭度对冲击载荷所在的区域和到各个传感器之间的距离进行了辨识,采用加权质心定位算法实现了冲击载荷位置的坐标定位。实验结果表明:在碳纤维复合材料板上240mm×240mm的监测区域内随机选取16个测试样本点进行低速冲击定位识别,实现了所有冲击实验点的区域辨识,坐标定位的平均误差为20.7mm。研究结果为碳纤维复合材料板的低速冲击定位提供了一种可靠的方法。     

基于FBG非均匀反射谱特性的波纹型复合材料蒙皮渐进损伤监测

提出利用布拉格光纤光栅(FBG)非均匀反射谱监测复合材料结构渐进损伤的方法。对波纹型复合材料蒙皮样件进行有限元分析,预测蒙皮在拉伸载荷下失效过程和对应临界失效载荷大小,据此重构FBG传感器的非均匀反射谱,获得铺层失效与传感器反射谱的对应关系,并为实验光谱记录提供参考。构建一种基于FBG非均匀反射谱监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的监测系统,进行拉伸实验,实验结果表明系统实测光谱与重构的反射谱趋势相同,对应失效载荷与预测值最大误差为8.6%,证明了采用FBG传感器监测波纹型复合材料蒙皮渐进损伤的可行性。该方法通过实时监测预测失效范围内FBG非均匀反射谱的变化,简单易行,测量及传导光路实现全光纤化,无需破坏试件结构,即可实现对波纹型复合材料蒙皮渐进损伤程度及铺层失效次序精确、迅速的在线监测,研究结果为智能蒙皮动态监测领域提供新的思路和实验参考。     

一种光纤布喇格光栅压力传感器的设计及实验

报道了一种新型光纤光栅压力传感器设计和实验结果.传感器利用双拱形结构,配合工形膜片将纵向分布的压力转化为膜片横向的应变,通过膜片结构传递应变给光纤光栅,从而达到测量纵向分布压力的目的.实验结果表明:当传感器受到纵向均布压力作用时,能够较好地感知压力的变化,光纤光栅中心波长的漂移与所受压力呈线性变化,且线性度达到0.999.在压力测量范围内,压力灵敏度达到1.059 × 10~(-3)/MPa.     

FBG应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命,以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值,对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时,2支传感器达到极限传感寿命,1支传感器接近极限传感寿命,即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明,提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下,光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.     

基于微结构光纤和游标效应的高灵敏度压力传感器

结构健康监测、医疗诊断分析、气压检测以及军事工程应用等领域对压力的高灵敏度探测要求越来越高。光纤传感器由于其体积小、灵敏度高及抗电磁干扰等优点被广泛应用于压力测量。针对石英材料的杨氏模量较高,传统实芯光纤压力传感器的受压变形量较小,导致测量灵敏度很难提高。文章提出了一种基于游标效应的双Sagnac干涉环式光纤压力传感器。传感器由保偏光子晶体光纤(Polarization Maintaining Fiber, PM-PCF)作为敏感单元实现Sagnac干涉并通过不同PCF长度实现针对压力增敏特性的游标效应。传感器分别采用在单模光纤中嵌入PM-PCF形成传感器的参考单元和压力敏感单元,并对Sagnac环的感压部分进行封装,通过实验对并联型Sagnac环压力传感器的压力特性进行研究。实验结果表明在压力范围为0～2.4MPa内,压力传感器最大灵敏度为-54.491nm/MPa,分辨率为0.367kPa。相比无游标效应的Sagnac环压力传感器,其压力灵敏度放大了16.7倍。此外,传感器具有制造简单、结构坚固、运行稳定的优点,为高灵敏度压力传感器提供了一种替代设计方案。     

光纤光栅应用于石蜡内部结构的特性监测

石蜡材料在造型及涂敷过程中,长时间处于熔融状态,与空气接触易氧化变质。为了准确研究石蜡内部结构,利用光纤光栅传感器体积小、外形可变且易于埋入结构内部等特点,设计了基于光纤光栅的石蜡熔-固态温度/应变无损监测系统。实验结果表明,石蜡内部温度从90℃下降至40℃左右时,应变仅改变170με;从40℃下降至25℃时,100min内应变改变750με,并且温度和应变呈线性关系。     

一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料的湿热老化力学性能

为掌握玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料经湿热老化后的力学性能,采用真空辅助注射成型技术,制作玻璃纤维/环氧乙烯基酯树脂复合材料层合板,并根据复合材料压力容器在服役过程中的受力特点,利用水切割技术将层合板制成弯曲和剪切试样。考虑到压力容器的使用工况,对试样进行浸泡加速老化试验,分析了在不同温度和周期下复合材料的质量和力学性能变化。结果表明,随着浸泡时间的增加,复合材料的弯曲和剪切性能逐渐降低。相比于浸泡时间的影响,温度对复合材料性能的影响更显著,如在90℃水中浸泡6周后,复合材料的剪切强度、弯曲强度以及弯曲模量降为初始值的1/2。