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光纤光栅传感器运用于复合材料损伤监测

收藏本文 2024-01-21 点赞:29053 浏览:132147 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:复合材料具有优异的比强度、比刚度、抗疲劳性能和耐久性,已用于建筑材料、汽车、高铁、航空航天等领域。然而由于厚度方向没有增强体,所以复合材料对损伤非常敏感。高效的无损检测技术对于复合材料结构损伤检查和持续监测有重要作用。将光纤光栅传感器(FBG)内置于复合材料结构中,可以实现复合材料结构的实时健康监测,同时具有成本低、不受电磁干扰、能监测结构内部变化等特点,是复合材料结构无损检测技术的重要进展走势。探讨FBG传感器埋入复合材料结构并对于复合材料结构进行监测具有非常重要的作用。本论文对热压罐成型时埋入复合材料的光纤的引出及保护方式进行了探讨,针对热压罐成型工艺探讨了端面引出和表面引出两种引出方式,解决了光纤引出保护不足。采取光学显微镜及扫描电镜对埋入光纤后的复合材料截面进行观察。通过对埋入光纤的碳纤维复合材料进行静态力学性能测试,结果表明光纤埋入后对复合材料的拉伸和弯曲性能有一定影响。光纤直径对复合材料的力学性能也有一定影响,随着光纤直径的减小,其对复合材料的力学性能的影响也较小。光纤埋入复合材料的厚度位置不同,其对复合材料的弯曲性能影响也不同。光纤埋入的位置越靠近中心层位置,对复合材料的弯曲强度影响越大。对埋入光纤光栅传感器后的碳纤维/环氧树脂复合材料进行拉伸性能测试,结果显示FBG传感器可以准确反映材料内部应变的变化走势。将光纤光栅传感器分别粘贴和埋入复合材料进行拉伸测试,观察应变-波长变化联系,结果表明粘贴在表面的光纤光栅传感器波长漂移量更大,说明其灵敏度要大于埋在内部的光纤光栅传感器。同时将光纤光栅传感器埋入碳纤维复合材料不同铺层位置,发现当其埋在90°铺层时,其灵敏度最大。对埋入光纤光栅传感器的碳纤维/环氧树脂复合材料分别进行正常拉伸实验和开孔拉伸实验。通过光谱仪观察到的反射光谱图,发现开孔拉伸时,光栅的反射光谱图会发生波形变化,产生多峰的现象,而正常拉伸只会出现波长漂移,通过试验比较可以发现当复合材料内部在光栅附近发生分层或者断裂时,光栅可以监测出其损伤。关键词:复合材料论文光纤光栅传感器论文引出工艺论文力学性能论文损伤监测论文

    摘要4-5

    Abstract5-9

    第一章 绪论9-19

    1.1 复合材料基本特性及用途9-10

    1.2 复合材料在飞行器上的运用10-11

    1.3 复合材料的固化监测和无损监测近况11-14

    1.3.1 固化监测13

    1.3.2 无损检测13-14

    1.4 光纤光栅传感原理及运用概况14-17

    1.4.1 光纤光栅传感原理14-16

    1.4.2 光纤光栅传感器在航天航空复合材料中的运用16-17

    1.5 本论文探讨的主要内容17-19

    第二章 埋入光纤的碳纤维复合材料的成型工艺19-30

    2.1 实验原料、设备及热压罐成型工艺19-22

    2.1.1 实验原料19

    2.1.2 实验设备19-20

    2.1.3 热压罐成型工艺20-22

    2.2 试样制备22-27

    2.3 光纤与复合材料界面相容性探讨27-28

    2.4 小结28-30

    第三章 光纤埋入对碳纤维复合材料拉伸和弯曲性能的影响30-39

    3.1 实验原料及设备30-31

    3.1.1 实验原料30

    3.1.2 实验设备30-31

    3.2 光纤埋入方向对碳纤维复合材料强度影响31-36

    3.2.1 光纤埋入方向对复合材料拉伸强度影响31-33

    3.2.2 光纤埋入方向对碳纤维复合材料弯曲性能的影响33-36

    3.3 光纤直径对碳纤维复合材料力学性能的影响36-37

    3.4 光纤埋入不同厚度位置对复合材料弯曲性能的影响37

    3.5 小结37-39

    第四章 光纤光栅对复合材料应变的响应性能39-52

    4.1 实验原料及设备39-40

    4.1.1 实验原料39

    4.1.2 实验设备39-40

    4.2 光纤光栅应变传感模型40-43

    4.2.1 胡克定理的一般形式41

    4.2.2 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型41-43

    4.3 光纤光栅传感器对复合材料拉伸历程的监测43-44

    4.4 光纤光栅传感器对复合材料应变传感的灵敏度44-50

    4.4.1 光纤光栅传感器粘贴在复合材料表面的应变灵敏度45-47

    4.4.2 光纤光栅传感器埋入复合材料内部的应变灵敏度47-50

    4.5 小结50-52

    第五章 光纤光栅传感器对复合材料损伤的监测52-66

    5.1 实验原料及设备53-54

    5.1.1 实验原料53

    5.1.2 实验设备53-54

    5.2 标准试样拉伸实验历程中光栅反射谱的变化54-58

    5.3 预设缺陷试样拉伸实验历程中光栅反射谱的变化58-64

    5.3.1 开孔试样拉伸实验历程中光栅反射谱的变化58-62

    5.3.2 开孔位置对光栅反射谱变化的影响62-63

    5.3.3 预设不同种类缺陷的对光栅反射谱变化的影响63-64

    5.4 小结64-66

    第六章 总结和展望66-68

    6.1 结论66

    6.2 展望66-68

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