变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法

为解决变形机翼柔性蒙皮形状实时监测问题,研究柔性蒙皮形状光纤传感及重构方法。理论分析了光纤光栅波长漂移与柔性蒙皮弯曲曲率的关系以及基于曲率信息的插值曲面重构算法;建立了柔性蒙皮曲率标定实验系统,制备了两层硅橡胶间加入有机硅胶并布设光纤光栅传感器的柔性蒙皮;实验测量了不同曲率下不同样本之间的波长漂移,分析了光纤光栅波长漂移量与柔性蒙皮曲率的关系,采用插值算法重构出柔性蒙皮变形曲面,验证了变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感实时监测的技术可行性。研究结果表明:光纤传感方法可用于柔性蒙皮形状实时感知,柔性变形可测量曲率范围不小于为25 m~(-1),灵敏度可达28.07 pm/m~(-1)。光纤传感方法在变形机翼形状实时监测中具有应用前景。     

浮空器柔性复合蒙皮变形光纤光栅传感方法

针对浮空器气囊蒙皮变形的实时监测需求,提出了基于光纤光栅（fiber Bragg grating, 简称FBG）的柔性复合蒙皮变形传感方法。根据蒙皮材料的多层结构特点及光纤光栅传感原理,设计了“光纤光栅?粘贴层?基体”的柔性蒙皮传感结构。通过对传感结构进行理论分析,得知平均应变传递效率随粘贴层剪切模量增加而增大。实验采用GD414和DP420两种不同剪切模量的粘接剂将光纤传感器粘接在柔性蒙皮表面,建立了传感解调实验系统。分析了浮空器柔性复合蒙皮变形光纤光栅传感器灵敏度及重复性,研究了两种不同胶接剂封装下光纤光栅中心波长随曲率变化的关系,结果显示剪切模量较大的DP420胶接剂封装的FBG具有良好的线性度和重复性,其灵敏度可达145.4 pm/m-1。对浮空器柔性复合蒙皮变形进行重构分析,验证了传感方法的可行性。研究结果表明,光纤光栅传感器可用于柔性复合蒙皮变形监测,在浮空器气囊蒙皮形态监测中具有广阔的应用前景。     

CNT/PDMS柔性传感材料的打印工艺及性能研究

针对复合导电材料CNT/PDMS应用于柔性传感以及复杂结构设计的需求,将直写打印技术与该复合导电材料的成型制备方法结合起来,研究了CNT/PDMS复合材料的打印工艺和电阻传感性能。在试验研究中,首先配置了不同CNT含量的打印墨水,并对打印墨水的流变性及材料导电性进行测试,试验结果表明配置的打印墨水均具有粘弹性以及剪切变稀的性质,其中以CNT质量分数为7%的墨水用于直写打印时兼具导电性好易挤出且成型好的特点。通过单点成线试验,设置3D打印机参数为:扫描速度为10mm/s,挤出气压为0.3MPa。在此基础上,进行简单平面条状、二维网状结构以及立体网格结构的打印,对打印的条状结构进行温度和单轴拉伸试验,在不同的温度和拉伸率下打印件均表现有电阻传感特性;对网格状电路进行柔性电路性能测试,在对其施加6 V左右电压时,无论网格电路处于伸展还是弯曲状态均能表现出良好的导电性能;对打印的立体网格结构进行压力传感试验,结果表明复合材料有良好的压敏特性。性能表征结果证明该打印工艺可行,从而为后续该材料的复杂结构制造以及在柔性传感电子设备中的应用奠定基础。     

光纤光栅机敏结构振动形态感知与重构试验研究

以大型航天柔性结构如太阳能帆板为试验模型对象,针对太空柔性结构振动状态监测与主动控制技术需求,着重进行光纤光栅机敏结构振动形态感知与重构试验研究.技术方法上基于分布植入式FBG离散传感网络及其空分复用和波分复用特性,实现模型结构分布多点曲率信息检测,基于三维曲面拟合算法实现结构形态重构与可视化;综合阐述试验方案与过程,包括技术方案分析、试验对象设计、试验平台构建、试验过程描述与试验结果分析等;试验结果与验证表明,光纤光栅机敏柔性结构低模态振动形态感知与现场可视化是切实可行的,试验过程不仅效果生动逼真,而且比较精确地反映了结构振动形态,研究结果为航天柔性结构振动形态实时监测提供了技术探索思路.     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料（Polymer matrix composites，PMC）成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性，尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题，提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验，揭示了主要工艺参数（碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等）对于打印件分辨率（精度）和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台，并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式，实现了多层石墨烯/聚乳酸（Polylactic acid，PLA）和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明，提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型（使用内径300 μm喷嘴，实现了分辨率为40 μm的PMC特征结构制造），而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

空间伸展结构变形与振动分布式光纤监测研究

空间伸展结构是一种最基本的可展开折叠单元,广泛应用于大型展开天线、太阳帆板以及空间机械臂等航天领域,针对此类结构服役状态的智能辨识对于目前开展高轨深空探测研究具有重要意义。为此,提出一种基于准分布式光纤传感器的空间伸展结构变形与振动实时监测技术。借助MSC.Patran/Nastran有限元分析方法,数值模拟得到碳纤维复合材料柔性空间伸展结构在不同载荷作用下的应变、位移响应规律以及振动模态特征。分别研究了基于曲率和弧长信息曲线重构的结构变形反演算法,光纤光栅中心波长偏移量与振动特征关系解析模型,计算得到空间伸展结构沿展开方向不同位置的坐标信息。在此基础上,通过在柔性复合材料伸展结构展向布设离散光纤光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,进而推导相应位置曲率特征,实现不同加载模式下的伸展结构形态重构,变形反演相对误差约为2.5%。此外,借助准分布式光纤传感器不仅可以得到伸展结构对应的变形实时响应曲线,同时还能够获取其前三阶固有模态和振型特征,所测频率与仿真结果吻合度较好,平均误差约为0.67%。研究结果表明,所提方法具有非视觉测量、实时性好以及多种功能复用等优点,能够为未来及时准确获取空间伸展结构姿态,实现空间形态自适应调节与在轨振动主动控制提供有力保障。     

基于Lamb波的压电陶瓷/环氧树脂复合材料传感器制备及应用

风力机叶片、飞机机翼等结构均为大面积曲面板类结构,基于Lamb波的结构健康检测技术对细微损伤比较敏感,是目前最具应用前景的技术之一。传统的Lamb波传感器大都采用PZT陶瓷制成,质地脆且硬度大,不能适应于曲面结构检测。将PZT陶瓷粉末与环氧树脂复合制备了一种新型柔性0-3型压电复合材料,研究了质量比、极化电场、极化温度和极化时间等因素对压电复合材料性能参数的影响,开展了多因素正交实验来确定材料制备的最优极化工艺参数。实验研究了该压电复合材料制成的传感器对Lamb波的传感响应特性,与现有的MFC、PVDF和传统压电片等传感元件的响应特性进行了对比分析。将制备的传感器应用于翼型曲面板,利用椭圆定位方法进行损伤检测。研究结果表明,PZT陶瓷/环氧树脂压电复合材料传感器具有良好的传感响应特性,能够很好地贴合于曲面板表面,与只能部分耦合于曲面板的传统压电片相比,采集的Lamb波信号更加准确,从而为曲面板类结构健康监测提供一种新型的柔性压电传感技术。     

变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构方法

变构型飞行器在执行不同飞行任务时会大尺度地改变机翼结构和蒙皮形状,蒙皮多维大尺度的变形重构是变形飞行器研究中的难点。本文针对这一问题,提出一种基于多芯光纤传感的变形飞行器蒙皮变形形状重构方法。该方法基于多芯光纤光栅应变传感原理,利用传感器上的多个光栅传感点,建立光栅波长漂移和曲率之间的转换关系,实现三维曲线重构。此外,为了重构变构型飞行器多维大尺度变形下的形状,本文研究了将重构曲线转化为飞行器机翼的展开角和翻转角,并结合两个角度和飞行器机翼的长宽等固有参数,通过拟合插值将两个角度变化引起的变形连续化,实现了柔性蒙皮多维大尺度变形重构。同时,本文为了减小温度造成的误差,利用多芯光纤中间纤芯不受拉伸和压缩、只受温度影响的特点,将中间纤芯与旁轴纤芯的中心波长漂移量做差,实现温度解耦。为了验证本文变形重构方法的有效性,对飞行器蒙皮多种不同情况下的变形进行了实验测试,并将形变重构结果与视觉测量进行了对比。研究结果表明,飞行器蒙皮多维大尺度变形重构的平均误差为7 mm,变形角度重构的平均误差为3.6%,可以实现变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构,该方法在航空航天器等结构变形监测领域具有良好的应用前...     

石墨烯/聚乳酸复合材料的制备及性能

分别以两种粒径(20,125μm)的聚乳酸为基体材料,石墨烯为增强材料,利用球磨法制备了石墨烯/聚乳酸复合粉,再在150℃下压制成两种石墨烯/聚乳酸复合材料,研究了其弯曲性能和导电性能。结果表明:在机械咬合与静电吸附共同作用下,石墨烯包覆在聚乳酸微粒表面形成复合微粒;随石墨烯含量的增加,两种聚乳酸复合材料的抗弯强度均先增大后降低,电导率则先快速增大后趋于平缓,且聚乳酸粒径较小时的复合材料性能更佳,但过多石墨烯又会使复合材料表面出现裂纹、破碎等缺陷;随着成型压力的增大,复合材料的电导率小幅度增加,但抗弯强度变化不明显。     

HEMT高灵敏度微加速度计的设计与测试

根据压阻传感原理设计了GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件与Si基悬臂梁-质量块结构集成的微加速度。通过ANSYS结构应力仿真,GaN基HEMT作为敏感单元置于微悬臂梁结构根部的应力最大处。同时对微加速度计的关键研制工艺进行了设计和研究,成功制备出具有力电耦合特性的传感结构。并且测试了微结构在静态0～10g的惯性测试,结果表明GaN基HEMT器件具备明显的力电耦合效应,该微加速度计的灵敏度为0.24 mA/g,线性度为12.4%,适合研制高灵敏度的微加速度计。