基于光纖傳感技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全壽命健康監(jiān)測研究.pdf

1、先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，為了預(yù)防結(jié)構(gòu)的突然性破壞，降低維護成本，將健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是一種行之有效的方法。光纖傳感器與復(fù)合材料的兼容性好，抗干擾能力、耐腐蝕能力強，以光為傳輸信號，被廣泛應(yīng)用于埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行實時健康監(jiān)測。
　　本文以光纖傳感器為監(jiān)測工具，面向復(fù)合材料制造過程、服役過程，以提高復(fù)合材料產(chǎn)品合格率，降低復(fù)合材料的維護成本為目標，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造－服役全壽命健康監(jiān)測體系，來實時監(jiān)測

2、可重復(fù)使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造、服役、損傷、破壞全壽命過程。本文針對該主題，開展了如下研究工作：
　　1.利用粘度信息實現(xiàn)了復(fù)合材料固化過程加壓時機的準確控制，提高了材料制造過程的質(zhì)量。通過等溫粘度試驗，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合獲得了HD03環(huán)氧樹脂的化學(xué)流變方程。將光纖布拉格光柵埋入到T300/HD03復(fù)合材料中，監(jiān)測固化過程的溫度歷程，將監(jiān)測到的溫度信息帶入到樹脂的化學(xué)流變方程中，實時地計算出粘度值，并選擇合適的粘度值對復(fù)合材料制造施加壓力。

3、以層板厚度和殘余應(yīng)變?yōu)橘|(zhì)量參數(shù)，比較了不同加壓時機對層板厚度，殘余應(yīng)變，固化過程應(yīng)變變化的影響，得到了制作質(zhì)量較高層板加壓時機的粘度范圍。以埋入光纖光柵監(jiān)測溫度，轉(zhuǎn)換為可作為加壓時機選擇參數(shù)的粘度值，能有效地控制加壓時機，完成復(fù)合材料制造閉環(huán)控制，提高了復(fù)合材料的質(zhì)量，實現(xiàn)了復(fù)合材料制造過程的監(jiān)測。
　　2．基于光纖光柵傳感器監(jiān)測了復(fù)合材料和鋁板的共固化過程，受溫度載荷影響下的變形過程，為兩種不同材料共同使用提供了實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。埋

4、入光纖光柵傳感器實時監(jiān)測纖維纏繞單向板的固化過程，以及復(fù)合材料和鋁板之間界面的固化應(yīng)變。由于復(fù)合材料和鋁板的熱力學(xué)性能不同，在固化過程中復(fù)合材料內(nèi)部與界面之間存在著差異，在固化過程后期會出現(xiàn)分離的現(xiàn)象，釋放一部分熱應(yīng)力。將光纖光柵埋入復(fù)合材料與鋁板的膠接件，復(fù)合材料外表面和鋁板外表面粘貼光柵，在溫度載荷下監(jiān)測三處界面的應(yīng)變變化歷程，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比。膠粘劑在溫度載荷下性能的變化，對復(fù)合材料表面的光柵監(jiān)測結(jié)果影響較大，使監(jiān)測值和

5、模擬值有所不同。光纖光柵的可埋入性為兩種不同材料的界面處應(yīng)變變化提供了手段，監(jiān)測數(shù)據(jù)提高了整體結(jié)構(gòu)的安全性。
　　3．通過有限元軟件對復(fù)合材料壓力容器的分析，揭示了壓力容器的破壞機理，為健康監(jiān)測傳感器的布設(shè)提供了依據(jù)?；贏NSYS有限元軟件建立了復(fù)合材料壓力容器模型，真實模擬了纏繞角度和封頭變厚度，用應(yīng)變測量和變形測量驗證了有限元模型的準確性。應(yīng)變測量使用電阻應(yīng)變片，整體變形測量選擇壓力容器桶身的螺旋方向，使用SMARTape傳

6、感器進行監(jiān)測；利用ANSYS提供的路徑功能，實現(xiàn)了預(yù)報值與監(jiān)測量的對比，兩者一致。在此模型基礎(chǔ)上，以Hashin失效準則和最大應(yīng)力準則為判斷依據(jù)，完成了復(fù)合材料壓力容器漸進損傷分析，預(yù)測了爆破壓力。建立有限元模型對結(jié)構(gòu)進行分析，并通過實驗進行驗證，為健康監(jiān)測提供了分析基礎(chǔ)。
　　4．開發(fā)了一種干涉型光纖傳感器，聯(lián)合光纖光柵，實現(xiàn)了可重復(fù)使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役過程的健康監(jiān)測，為飛行器結(jié)構(gòu)重要組成部分的全壽命健康監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)?；谶~克

7、爾遜干涉原理研制了一種適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)長距離監(jiān)測的光纖傳感器，利用微給進裝置檢驗了傳感器的拉伸響應(yīng)，變形量與解調(diào)儀讀數(shù)相一致；考察了傳感器監(jiān)測損傷的能力，以及溫度響應(yīng)特性。利用光纖光柵傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)點的應(yīng)變，干涉型光纖傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)整體變形，建立了局部－整體全方位復(fù)合材料壓力容器健康監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測了復(fù)合材料壓力容器的低溫工作性能，靜水壓力性能，將監(jiān)測結(jié)果同有限元分析、應(yīng)變片結(jié)果進行了對比，三者相符合。監(jiān)測了復(fù)合材料壓力容器的爆破過程，