基于光纖光柵傳感的CFRP傳動軸的固化過程監(jiān)測.pdf

1、碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）具有比強度高、熱膨脹系數(shù)小、吸振性能好等特點。相比于傳統(tǒng)金屬傳動軸，CFRP傳動軸質(zhì)量輕、強度高、尺寸穩(wěn)定性好、傳動效率高，因而廣泛應用于直升機、大型風力發(fā)電機、船舶艦艇和重型機床等高端裝備中。然而，由于碳纖維復合材料中增強纖維與樹脂基體熱膨脹系數(shù)的不匹配性和樹脂的聚合反應等原因，CFRP傳動軸在制備過程的固化階段會產(chǎn)生殘余應力，這些殘余應力導致產(chǎn)

2、品在服役前就產(chǎn)生缺陷，如纖維變形和內(nèi)部分層等，并且，這些缺陷損傷很難直接用肉眼觀察到，極易形成潛在危害，嚴重影響產(chǎn)品在服役期間的機械性能。因此，對碳纖維復合材料傳動軸的固化過程進行監(jiān)測十分重要。
　　布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）具有直徑?。?0-125μm）、易埋入、耐高溫、不受電磁干擾、電絕緣性好等特點，它能夠像纖維一樣埋放在碳纖維復合材料鋪層之間，且對碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)本身的影響很小。另外，

3、它能夠?qū)崿F(xiàn)“一纖多點”測量，非常適用于各向異性的復合材料的內(nèi)部監(jiān)測。因此，本文提出采用光纖光柵傳感技術(shù)對碳纖維復合材料傳動軸的固化過程進行實時監(jiān)測，主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，本文結(jié)合復合材料結(jié)構(gòu)設計基礎和光纖光柵的傳感原理對應用FBG傳感器進行碳纖維復合材料傳動軸固化監(jiān)測的原理進行了分析和闡述。結(jié)合CFRP傳動軸的結(jié)構(gòu)設計，確定了FBG傳感器的布點策略，采用四個埋放在0?鋪層之間沿軸向布置的FBG傳感器對CFRP傳動軸的固化過

4、程進行監(jiān)測，CFRP傳動軸共22層，其中，F(xiàn)BGa和FBG1埋放在第1、2層之間，F(xiàn)BGa用于溫度和應變監(jiān)測，F(xiàn)BG1用于溫度監(jiān)測，進行溫度補償；同理，另外兩個傳感器FBGb和FBG2埋放在第9、10層之間。然后，針對CFRP傳動軸的熱壓罐成型工藝特點，設計了一種分離式芯軸，用于埋入和引出光纖時的尾纖保護，并保證傳動軸脫模時不損傷光纖，為實現(xiàn)埋入的FBG傳感器在CFRP傳動軸服役期間的機械性能監(jiān)測提供技術(shù)基礎。
　　其次，對用于C

5、FRP傳動軸固化監(jiān)測的FBG傳感器分別進行了溫度和應力靈敏度系數(shù)的標定實驗。其中，對用于監(jiān)測溫度和應變的FBGa和FBGb傳感器進行了軸向應力靈敏度實驗，結(jié)果表明，兩個FBG傳感器測量值接近，均達到99.99％的線性擬合系數(shù)，測得的FBGa和FBGb的應力靈敏度系數(shù)分別為1.33×10﹣5pm/Pa和1.37×10﹣5pm/Pa，相比于理論值的誤差分別為7.0%和4.2%。然后，對用于監(jiān)測溫度的FBG1和FBG2傳感器進行了封裝，使其不

6、受應力因素的影響，并對封裝后的傳感器進行了應力拉伸實驗，結(jié)果表明此封裝工藝能夠很好的剔除FBG傳感器中應變因素的影響。最后，采用水浴降溫法對封裝后的FBG1和FBG2溫度傳感器進行了溫度靈敏度系數(shù)的標定，結(jié)果表明兩個傳感器測得的溫度靈敏度系數(shù)接近，且線性擬合系數(shù)分別達到99.99%和99.98%，測得的FBG1和FBG2傳感器的溫度靈敏度系數(shù)分別為8.58pm/℃和8.52pm/℃，與理論值基本吻合，誤差分別為2.7%和3.4%。

7、>　　最后，進行了基于光纖光柵傳感的CFRP傳動軸的固化監(jiān)測實驗。采用手動卷管和熱壓罐成型的方法制備了碳纖維復合材料傳動軸試件，在用分離式芯軸進行CFRP傳動軸的卷管鋪層過程中，埋入了溫度補償光柵（FBG1與FBG2）和測量溫度及應變的光柵（FBGa與FBGb），并用其對CFRP傳動軸的鋪層過程進行了應變監(jiān)測，得到了鋪層過程中CFRP傳動軸內(nèi)部鋪層間的應變變化規(guī)律。然后，將其放入熱壓罐中進行固化過程的實時監(jiān)測，通過溫度補償?shù)玫搅薈FRP

8、傳動軸固化過程中的內(nèi)部應變，并計算出了殘余應力的大小。在CFRP傳動軸第1、2層之間的軸向產(chǎn)生了4MPa的收縮殘余應力（降溫至85℃），第9、10層之間的軸向的殘余應力接近于0（降溫至55℃），結(jié)果表明固化結(jié)束后CFRP傳動軸內(nèi)部存在一定的殘余應力，且該CFRP傳動軸試件固化過程中內(nèi)表面和中間層產(chǎn)生的殘余應力大小不同（降溫至85℃）。本文提出了采用分離式芯軸的CFRP傳動軸的光纖光柵傳感器的埋入方法，并驗證了工藝的可行性，利用光纖光柵傳