埋入式光纖疲勞行為實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光纖傳感器具有尺寸小、便于成網(wǎng)、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、易布設(shè)且能夠適應(yīng)高溫等惡劣服役環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中。近年來，隨著光線傳感技術(shù)的發(fā)展和航空安全的需要，由光線傳感器和高性能復(fù)合材料共同構(gòu)成的新型智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)日益受到重視。在智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，可以利用光纖傳感器對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的溫度、變形等物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而起到實(shí)時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)安全性的作用。
　　光纖作為傳感元件廣泛地應(yīng)用于智能復(fù)合材料中。光纖自

2、身的力學(xué)行為以及光纖作為埋入式傳感材料與基體材料形成界面對(duì)智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為成為了一個(gè)重要的力學(xué)問題。
　　在智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，光纖將面臨著復(fù)雜的服役環(huán)境，其自身的力學(xué)行為（變形、斷裂等）和光纖與基體材料之間界面的損傷和破壞一方面將影響光纖的傳感性能，同時(shí)也可能影響到整體結(jié)構(gòu)的安全性?；诖?，本文以埋入式光纖為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)研究方法，對(duì)不同載荷條件下裸光纖自身的力學(xué)行為和光纖埋入基體材料后界面的失效行為進(jìn)行系統(tǒng)的研究

3、，以期為光纖傳感技術(shù)在航空復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　本文主要研究工作和成果包括：
　?。?）裸光纖的拉伸力學(xué)性能和壽命。對(duì)裸光纖的拉伸性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了率效應(yīng)對(duì)裸光纖力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率越低裸光纖的強(qiáng)度也越低；通過裸光纖循環(huán)疲勞壽命和靜疲勞壽命的實(shí)驗(yàn)研究，獲得了裸光纖的S-N和S-T曲線。
　?。?）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，獲得了裸光纖在靜疲勞、動(dòng)疲勞和循環(huán)疲勞三種不同荷載作用下的應(yīng)力疲勞指數(shù)，

4、上述三種不同載荷作用下，裸光纖的應(yīng)力疲勞指數(shù)分別為17.86、11.83、5.88。根據(jù)靜疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了Weibull模數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)隨著加載應(yīng)力的減小，Weibull模數(shù)β也不斷減小，并且通過擬得出了裸光纖的靜疲勞解析式。
　　(3)從細(xì)觀角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，研究了在不同加載條件下光纖埋入基體材料后的界面結(jié)合強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：光纖埋入樹脂基體材料后，最薄弱的界面是光纖自身涂覆層與包層之間形成的界面，其界面結(jié)合強(qiáng)度也

5、受到率效應(yīng)的影響，當(dāng)拔出速率大于10-1.5時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度隨拔出速率的減小而減小，當(dāng)拔出速率小于10-1.5時(shí)，界面結(jié)合強(qiáng)度隨拔出速率的減小而提高。通過拔出循環(huán)疲勞和靜疲勞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了界面疲勞壽命的S-N和S-T曲線。
　　（4）根據(jù)光纖界面性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析和討論了界面在不同加載機(jī)制下的破壞機(jī)理，采用了二參數(shù)Weibull模數(shù)分析方法對(duì)界面拔出的循環(huán)疲勞壽命以及靜疲勞壽命進(jìn)行了分析和研究，結(jié)果表明隨著加載應(yīng)力的減小