内埋FBG传感器复合材料加筋板的固化过程及准静态压缩监测

将布拉格光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器埋植在纤维增强树脂基复合材料加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板的固化过程与准静态压缩过程.结果表明,埋植FBG传感器的加筋板和未埋值FBG传感器的加筋板,其压缩破坏载荷基本相当.同时,内埋于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器可以有效监测复合材料加筋板固化过程的应变变化,固化后亦可用于实时监测结构中产生的温度和应变变化.在准静态压缩过程中,FBG传感器测得的应变值变化曲线与接触力-压头位移曲线变化趋势基本一致.FBG传感器可在不影响结构性能前提下,准确地响应复合材料加筋板在受载条件下出现的分层、开裂等损伤.     

密度对聚丙烯泡沫材料动态冲击性能的影响

目的 以聚丙烯材料为研究对象,研究密度对其动态冲击性能的影响。方法 对4种不同密度的聚丙烯材料进行动态压缩试验,分析接触力、位移和应变以及吸收能、比吸能的变化,从而研究动态条件下不同密度的聚丙烯材料的动态冲击性能。结果 当密度一定时,最大接触力、最大位移、最大应变、比吸能随冲击能的增大而增大。当冲击能一定时,最大接触力随密度的增大而增大,最大位移、最大应变、比吸能随密度的增大而减小。结论 考虑到轻量化以及成本因素,在安全范围内,选择缓冲材料时可以选择密度较小的聚丙烯材料。     

内含气体对蜂窝纸板异面动态冲击性能的影响

目的以六边形蜂窝纸板为对象,研究内含气体对其异面冲击性能的影响。方法通过动态冲击实验分析内含气体对接触力、最大接触力、最大位移、最大应变和吸收能的影响,得出不同孔隙率时,蜂窝纸板的接触力-时间曲线,最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能与冲击能曲线和吸收能-孔隙率曲线。结果在给定冲击能的情况下,最大接触力与吸收能随着孔隙率的增大而减小,最大位移及最大应变随着孔隙率的增大而增大。在孔隙率一定时,最大接触力、最大位移、最大应变和吸收能随冲击能线性增大。此外,冲击能越大,接触力达到峰值的时间越短,接触持续时间越长。结论在动态冲击实验中,内含气体使蜂窝纸板吸收冲击能的能力明显增强,并且当冲击能一定时,孔隙率越大,蜂窝纸板越容易被压变形,吸收能越少。     

发泡聚丙烯材料的动态力学行为研究

目的研究发泡聚丙烯材料的厚度对其冲击性能的影响。方法对4种不同厚度的发泡聚丙烯材料进行动态压缩试验,分析其接触力、最大位移、最大应变以及吸收能,研究动态条件下发泡聚丙烯材料的力学性能。结果当冲击能一定时,增加发泡聚丙烯材料的厚度,其接触力会逐渐减小,接触时间会逐渐增加;冲击能和厚度一定时,厚度与最大位移、吸收能成正比例相关,但对最大接触力和最大应变无明显影响;任意厚度的发泡聚丙烯材料,其冲击能和厚度的增加会导致其最大接触力、最大位移、最大应变、吸收能的增加。结论在研究的冲击能量和厚度范围内,吸收能不受发泡聚丙烯材料厚度的影响,由冲击能决定。     

压电陶瓷驱动器菱形位移放大机构的动态应变测量

为监测压电陶瓷驱动器并联驱动时各自的动态输出状态,利用压电陶瓷驱动器中位移放大机构的菱形对称结构建立全桥应变测量方法,通过位移放大机构菱边在振动过程中的动态应变变化来反映压电陶瓷驱动器的工作状态。对不同状态下位移放大机构菱边的动态应变进行实验研究,结果表明:利用位移放大机构对称菱边建立的全桥应变测量方法能够有效获取位移放大机构在振动过程中的动态应变变化,且能够对位移放大机构的运行状态进行实时监测,在带负载和不带负载情况下,设计的位移放大机构菱边在振动过程中的应变量级都在几个微应变,该测量结果也反映出设计的位移放大机构刚度较好,能够保证压电陶瓷驱动器有较好的输出性能。     

基于小波分析的混凝土箱梁桥应变监测数据的超载信息识别

为识别混凝土箱型梁桥的超载信息,从该箱梁桥健康监测系统中提取海量应变数据,根据不同异常事件的特点,对监测数据进行预处理,并确定应变监测信号的构成。利用小波变换识别应变异常信号的突变位置和变化值,并与根据有限元分析得到的梁桥初始应变进行比较,识别出超重车产生的突变信号数量。计算超重引起的突变应变信号的捕获概率,进而估算箱梁桥日均超重车数量为187辆,与该桥监测站的同期历史记录相符。     

光纤布拉格光栅监测CF3052/5224复合材料成型过程研究

温度与应变是监测复合材料热压罐固化成型工艺两个最重要的表征参数,利用光纤布拉格光栅传感原理,采用毛细钢管封装的方法,制备了完全屏蔽应变信号的温度传感器,将温度传感器和应变传感器同时埋植在复合材料内部,实现了对热压罐成型全过程的实时监测,获得了复合材料成型过程中的内部温度和应变信息.对复合材料平板件和T型加筋板三角填充区域进行的温度监测结果表明,复合材料内部温度变化较罐内温度有一定滞后,传统成型工艺控制给出的加压点偏早,可能引起复合材料贫胶等缺陷.应变监测结果表明,平板件内部的应变变化主要反应树脂固化过程中的物理化学变化,在T型加筋板三角填充区域,应变监测在自然冷却阶段出现了不同于平板件的应变"回弹"现象,一定程度上反映出该区域在成型过程中容易出现缺陷的原因.     

内埋光纤光栅的复合材料层压板拉伸应变研究

利用内埋在复合材料层间的光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器监测复合材料层压板在拉伸过程中的应变变化,并与复合材料层压板试样表面粘贴的应变片测得数据进行对比,同时研究了光纤光栅的埋植位置对复合材料力学性能的影响。探索了FBG传感器在复合材料应变监测中的有效性和可靠性。结果表明:内埋于复合材料层间的FBG传感器可以有效反映复合材料层压板在受到拉伸载荷过程中的应变变化,对比FBG传感器与应变片测得的实验结果,二者所测得的应变变化趋势吻合良好,而且埋植光纤光栅对复合材料层压板的拉伸强度影响较小。     

基于应变模态的连续梁动挠度识别

为了实现基于应变测量的连续梁动挠度识别,提出了一种基于应变模态的梁结构动挠度监测方法。利用应变传感器进行应变测试获得梁的动应变数据,由动应变数据的互相关函数求出应变模态振型,利用应变-位移转换关系求出位移模态振型,再由动应变数据和应变模态振型计算出位移模态坐标,最后根据计算出的位移模态坐标叠加位移模态振型得到梁结构的实时挠曲线,从而实现对动挠度的监测。为了验证方法的有效性,对连续梁在脉冲激励及地震作用下的动挠度进行了数值模拟,并进行了简支梁力锤锤击实验。数值模拟及实验的结果表明,基于应变模态监测梁结构动挠度是可行的,且具有较高的精度。     

自适应卡尔曼滤波在桥梁健康监测系统中的应用

针对桥梁健康监测中的桥梁结构的应变模态指标，一般采用振弦式应变传感器来测量，其噪声源对桥梁检测来说属于低频振动，低频噪声会影响到采集信息的准确性。为此，将自适应卡尔曼滤波用于应变模态指标的信号处理中，根据桥梁检测信号的特征建立自适应动态滤波模型，并用该模型对甘肃某大桥的实际应变监测数据进行仿真。仿真结果表明，该模型能有效抑制低频噪声，正确反映桥梁应变模态指标的变化，提高信号的测量精度，为桥梁健康评估提供可靠数据。     

变刚度弓网系统主动控制研究

以变刚度时变弓网系统模型为研究对象,应用最优控制策略,分别采用控制力作用于框架和弓头两种方式,对弓网间接触力进行主动控制,仿真结果表明,采用受电弓主动控制能够抑制弓网间接触力的波动,提高受流质量,当主动控制力直接作用于框架时控制效果更好。     

基于加速度信号的吊弦断裂检测方法

吊弦是高铁接触网的关键部件，长期裸露于外部环境，且日复一日地承受列车受电弓的冲击作用，容易发生吊弦断裂故障. 本文基于弓网动态仿真模型，对兰新高铁试验段进行仿真，产生在脉动风和受电弓同时作用下的接触网正常和吊弦断裂时接触线和承力索的加速度数据，然后运用EEMD（Ensemble Empirical Mode Decomposition）计算加速度信号的能量熵、奇异熵、平均熵，建立吊弦断裂故障检测的$\mathrm{L}_{1/2}$-LR正则化模型．实验结果表明，在脉动风和受电弓共同作用工况下，所得到的检测方法对吊弦断裂检测的准确率可达97.25%．本文提出的基于EEMD的$\mathrm{L}_{1/2}$-LR模型，具有变量选择作用，发现只需采集承力索跨中位置处的垂直加速度和水平加速度，分别计算其能量熵、平均熵，便可以很高的精度和计算效率检测跨中吊弦是否断裂．     

高速铁路接触线气动参数仿真及风振响应研究

为深入研究接触网系统在风载荷作用下接触线形成的风振响应,采用流体力学软件Fluent模拟计算形状不规则接触线截面的气动力参数,由其获得接触线与承力索的风载荷模型。在有限元软件MSC-Marc中建立京津城际铁路接触网整体模型,并利用MSC-Marc用户子程序功能实现接触网中接触线及承力索的风载荷动态输入,求解得接触线在不同风速、不同初始风攻角风载荷作用下产生的风振响应。结果表明,由于接触线的气动特性,任意风攻角风载荷作用下接触线竖直方向振动位移均值为负值,会加剧弓网间相互作用;接触线扭矩系数很小可忽略不计,接触线发生驰振原因之一为升力系数随攻角变化较大,在风攻角25º左右最可能发生驰振现象。     

高速列车过隧道对弓网动力学影响分析

为研究高速列车通过隧道时产生的受电弓空气动力学效应对弓网动力学性能的影响,分别建立了受电弓/高速列车空气动力学仿真模型和弓网耦合系统动力学模型。采用滑移网格技术实现了高速列车运动,通过有限体积法求解三维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和 两方程湍流模型,计算了列车速度为350km/h通过隧道时受电弓的气动抬升力,对考虑和未考虑列车通过隧道产生的受电弓气动抬升力作用时的弓网动力学响应进行了对比分析。计算结果表明,受电弓气动抬升力在隧道入口和出口时出现峰值,隧道内的气动抬升力较明线上大;通过隧道时产生的受电弓气抬升力变化对弓网接触压力和接触线抬升位移具有显著影响,导致受流质量变差。     

Optical Fiber Sensors to Measure Collector Performance in the Pantograph-Catenary Interaction

Optical fiber sensors are proposed to detect static and dynamic collector strain for high-speed railway pantograph achieving electromagnetic immunity, nonelectrically conducting and small size. The implemented scheme based on a Michelson's interferometer with a 3 $,times,$3 coupler allows local strain measurement insensitive to temperature variations with high reliability guaranteed by the employment of standard 1550 nm optical communications components. By a test rig to experimentally simulate the pantograph-catenary contact-force the sensor performance is compared with typical electric measurement.      

高低电压隔离光电信号传输技术及应用

介绍红外光信号传输技术及其在电气化铁路弓网故障检测中的应用,分析了光接收机的等效电路、噪声特性及光电数字信号传输系统的过剩增益和有效光束宽度,并给出了实际应用情况及结果。     

压电传感技术在轮轨力实时监测中的应用探讨

目前轮轨力测试传感元件大多采用应变片,但应变片存在零漂、抗干扰能力差、测试系统稳定性差的问题,不满足高速重载铁路轮轨力实时监测对传感元件的要求,针对这一情形,提出了基于压电传感技术的轮轨力实时监测方法。首先,根据轮轨相互作用的特点和轨道系统约束条件,以及压电应变传感特性,提出了轮轨垂向力和横向力测试原理。然后,实验研究了PVDF压电传感器的动态特性、抗电磁干扰、抗零漂、可重复性等性能,并与普通电阻应变片进行了对比,论证了应用压电传感技术进行轮轨力实时监测的可行性。最后通过有限元仿真计算验证了所提出的轮轨力监测原理的正确性。     

Prediction of Impact Contact Forces of Composite Plates Using Fiber Optic Sensors and Neural Networks

Real-time determination of contact forces due to impact on composite plates is necessary for on-line impact damage detection and identification. We demonstrate the use of fiber optic strain sensor data as inputs to a neural network to obtain contact force history. An experimental and theoretical study is conducted to determine the in-plane strains of a clamped graphite/epoxy composite plate upon low-velocity impacts using surface-mounted extrinsic Fabry-Perot interferometric (EFPI) strain sensors. The plate is impacted with a semispherical impactor with various impact energies using the drop-weight technique. The significant features of the strain and contact force response are contact duration, peak strain, and strain rise time. We have designed and built an instrumented drop-weight impact tower to facilitate the measurement of contact force during an impact event. The impact head assembly incorporates a load cell to measure the contact forces experimentally. An in-house finite-element program is used to establish the validity of the EFPI fiber optic sensor contact force response. The finite-element model is based on a higher-order shear deformation theory and accounts for geometric nonlinearity. Experimental load cell data and finite-element impact-induced contact force responses are in close agreement. The load cell data is used to train a three-layer feed-forward neural network which utilizes the Delta Bar Delta back-propagation algorithm. The output of the neural network simulation is the contact force history and the inputs are fiber optic sensor data in two different locations and time in 10-ms intervals. The efficiency and accuracy of the neural network method is discussed. The neural network scheme recovers the impact contact forces without using any complex signal processing techniques.     

基于多柔体动力学理论的接触网找形方法

基于绝对节点坐标法描述的多柔体动力学理论,提出了一种接触网找形方法。考虑到接触网大变形的非线性问题,采用基于绝对节点坐标法(ANCF)描述的变长度索单元对接触网进行离散,通过多柔体动力学理论对变长度索单元的动力学方程进行推导;根据静力平衡条件对动力学模型进行退化处理,推导了张紧索单元的找形方程。同时考虑接触线的预驰度问题,根据推导的找形方程分别分离出接触线模型和定位器模型进行静态求解;对吊弦力进行更新用于承力索和吊弦模型的静态计算,得到接触网的静态构型。通过3个算例验证了该文提出的找形方法能够准确计算接触网的稳态构型,并作为动力学模型的初始条件进行验证计算。所得结果最大的相对误差不超过2%,符合工程应用的要求,能够指导接触网的设计和施工。     

Development of micromechanical models for granular media

Micromechanical analysis has the potential to resolve many of the deficiencies of constitutive equations of granular continua by incorporating information obtained from particle-scale measurements. The outstanding problem in applying micromechanics to granular media is the projection scheme to relate continuum variables to particle-scale variables. Within the confines of a projection scheme that assumes affine motion, contact laws based on binary interactions do not fully capture important instabilities. Specifically, these contact laws do not consider mesoscale mechanics related to particle group behaviour such as force chains commonly seen in granular media. The implications of this are discussed in this paper by comparison of two micromechanical constitutive models to particle data observed in computer simulations using the discrete element method (DEM). The first model, in which relative deformations between isolated particle pairs are projected from continuum strain, fails to deliver the observed behaviour. The second model accounts for the contact mechanics at the mesoscale (i.e. particle group behaviour) and, accordingly, involves a nonaffine projection scheme. In contrast with the first, the second model is shown to display strain softening behaviour related to dilatancy and produce realistic shear bands in finite element simulations of a biaxial test. Importantly, the evolution of microscale variables is correctly replicated. This paper is dedicated to Professor Ching S. Chang on the occasion of his 60th birthday.