纤维复合材料层合板内埋光纤光栅传感器的保护技术

内埋的光纤Bragg光栅（FBG）传感器的存活率及测试精度是其在线监测纤维增强树脂基复合材料制备和服役状态的重要前提。采用[90₁₁/0₁₁]的碳纤维预浸料铺层方式,在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用模压成型工艺制备复合材料层合板。在异向铺排（光纤光栅方向与碳纤维方向不同）的45°方向光纤光栅传感器内埋于碳纤维预浸料层间的过程中,对其采用4种不同的保护方式。通过对比实验结果发现:当对异向铺排的FBG传感器不采取保护措施时,在加热加压复合材料时光纤光栅容易失活;整层铺设同向预浸料以保护异向铺排的FBG传感器的方式改变了具有特定铺层参数复合材料的力学性能;采用窄长条同向预浸料上下包埋保护FBG传感器的方式增大了应变光栅测量结果的系统误差;采用窄长条同向预浸料上下包埋并在邻近铺层开凹槽的保护方式能明显提高内埋光纤光栅的存活率及测试精度。      

光纤布拉格光栅监测复合材料固化

复合材料层合板在固化成型过程中形成的残余应变和应力是影响材料质量的重要因素,它与预浸料铺层在固化工艺过程中产生的应变密切相关。在研究和测试了光纤布拉格光栅应变和温度传感器传感特性的基础上,将二者埋入复合材料预浸料铺层,在热压釜成型工艺过程中监测了材料内部的温度和应变发展历程,由此获得对称正交层合板的宏观残余应变。监测结果表明,单向和对称正交层合板在固化结束后都将产生收缩,对称正交层合板铺层内的残余应变平行于纤维方向为压应变,垂直于纤维方向为拉应变。光纤光栅传感器为复合材料固化监测及层合板残余应力分析提供了一种新的工具,为实现复合材料从制造到服役的全寿命、一体化监测提供了可能。      

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

高压釜成型过程中弯曲力矩对EFPI光纤 传感器测试性能的影响

为了确定复合材料热压釜成型过程中弯曲力矩对EFPI光纤传感器测试性能的影响,制作了将光纤传感器埋入FRP层合板中间层的试验片,并对试验片进行三点弯曲试验,得到了弯曲力矩与传感器输出应变的对应关系。用显微镜观察层合板的截面,确定光纤传感器的埋入位置。对传感器的埋入位置偏离层合板中间层的试验片,运用有限元应变解析法计算了其应变值。结果表明,光纤传感器的埋入位置偏离层合板的中间层时,传感器的输出应变值大于解析值,说明弯曲力矩会影响光纤传感器的测试性能。      

复合材料基片式光纤光栅传感器的制造与性能

基于光纤光栅传感原理,设计、制造了一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤Bragg光栅(FBG)传感器。该传感器采用玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板作为基板,干态玻璃纤维布作为覆盖层,采用真空辅助灌注液态环氧树脂的方法将FBG封装于底部基板与上层玻璃纤维布之间。在制备玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板的过程中,分别采用一次性完全固化和预固化的制备工艺。通过对比实验结果发现:当玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板采用一次性完全固化成型工艺时,传感器温度响应的线性度和重复性较差,相对重复性误差高达10.90%,线性拟合度仅为0.99871;当玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板在光纤光栅封装之前采用预固化成型工艺、在封装完成后整体进行二次固化时,传感器温度响应的相对重复性误差仅为1.87%,线性拟合度为0.99998,应变灵敏度系数为0.05514nm/kg,温度灵敏度系数为0.02357nm/℃,是裸光纤光栅传感器温度灵敏度系数的2.4倍。     

基于FBG在线监测的环氧树脂封装材料的固化过程EI北大核心CSCD

使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器实时在线监测电子封装用液态环氧树脂固化过程中的温度和应变,以及在同一模具内相同水平高度、不同位置处(FBG传感器所测)的温度和应变随固化时间的演变,研究了环氧树脂用量对树脂固化过程中温度和应变演变的影响。结果表明:在环氧树脂固化过程中模腔内同一水平高度、不同位置处的应变-时间曲线和温度-时间曲线有很好的一致性,说明在环氧树脂的固化过程中温度和应变响应与水平位置无关;同时,在FBG传感器埋入位置固定的前提下,树脂固化过程中的温度最大值和树脂完全固化后的最终残余应变都随着环氧树脂用量的增加而增大。     

带有铝板复合材料层板固化过程中残余应力演化

本文对两种材料组成的层板的残余应力进行了研究.提出应用有效温差并结合线膨胀系数对带有铝板复合材料层板固化成型过程中残余应力形成进行理论分析,其中残余应力主要考虑温度产生的.采用先进的光纤技术对带有铝板复合材料层板固化成型过程中残余应力进行试验研究,即将光纤布拉格光栅(FBG)分别埋入到复合材料内部及复合材料与铝板之间,监测固化全过程残余应变的演变,并且构件最终变形与理论分析释放残余应力方向一致.     

固化度与固化收缩对非对称复合材料层合板固化变形的影响

采用三维有限元方法研究复合材料非对称层合板在热载荷和固化收缩载荷下的固化变形情况, 建立了材料力学特性、 固化体积收缩量和温度与固化度之间的函数关系, 考察了层合板变形曲率与温度和固化度之间的关系。数值计算结果表明: 非对称层合板变形曲率与固化终止时固化度有密切关系; 固化变形主要发生在降温阶段; 固化收缩对层合板变形曲率影响很小, 主要发生在第二个保温平台的前半段。      

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.     

热残余应力对内埋光纤光栅传感器性能的影响

将布拉格光纤光栅(FBG)埋植于复合材料T型加筋板结构非干涉区—三角填充区作为应变传感器对复合材料加筋板在固化过程及冲击后压缩过程中的应变变化进行监测。对比了光纤刻栅区采用UV光固化树脂涂层保护和未保护的两种FBG传感器的波谱信号变化; 分析了复合材料在固化成型过程中产生的非轴对称热残余应力对FBG传感性能的影响。结果表明, 刻栅区采用聚合物涂层保护的FBG传感器的半峰宽(FWHM)在固化过程中未发生变化, 并且聚合物涂层可以有效地消除非轴对称热残余应力对光纤光栅反射波谱的影响。在冲击后压缩过程中, 采用聚合物涂层保护的FBG传感器测得的应变与贴于试样表面的应变片测得的应变数据一致性较好。本文对埋植于复合材料加筋板三角填充区的FBG传感器在复合材料固化过程及冲击后压缩过程中应变监测的有效性及可靠性进行了有益的探索。     

Composite cure simulation scheme fully integrating internal strain measurement

This study proposes a new approach to determine key material parameters for stress/strain calculation of curing composite laminates and validate the simulation. Specifically, fiber Bragg grating (FBG) strain sensors are embedded in a composite laminate and the two key parameters for simulation, composite shrinkage strain and stiffness change during curing, are simultaneously determined from in-situ measurements by the embedded sensors. Furthermore, the simulation is validated using internal strain change during curing. This paper begins by presenting an overview of the proposed simulation scheme and by comparing it with previous approaches to highlight its advantages. Material parameter determination using a shear-lag effect at the edge of the embedded sensors is then described and the practical procedure to obtain the key parameters is demonstrated using a carbon/epoxy laminate. Finally, cure simulation is conducted for validation. Further extension to more general cases including thermoplastic composites is also discussed.     

Monitoring LCM Process by FBG Sensor Under Birefringence

Abstract: Optical fibre Bragg gratings (FBG) provide accurate and non‐intrusive strain and temperature local measurements. FBG sensors can be embedded into fibrous preforms to monitor the flow and the cure of the resin and deliver real‐time information on the ongoing process. The paper concentrates on the utilisation of the strain‐induced birefringence of the FBG to derive information on the effective stress–strain state of the composite at the end of the process cycle (Vacher 2004, Optical fiber sensors to monitor the processing and the mechanical characterization of composites. PhD thesis). During the cooling phase, the reflection spectrum from the FBG splits into two peaks because of the birefringence of the glass fibre owing to the residual stress. The paper shows that this effect can be utilised to estimate the residual stress and strain in composites manufactured by Liquid Composite Moulding technologies. The birefringence effect arising from the cooling of a [0₆,90₃]_S CFRP laminate is first characterised, and then the determination of the strains along the principal axes inside the laminate is completed by modelling the local stress–strain state because of the interaction of the optical fibre and its environment within the framework of orthotropic thermo‐elasticity and the Classical Laminated Plate Theory.     

布拉格光栅监测不同厚度方向的固化残余应力

复合材料在固化过程中产生的残余应力会严重影响材料的使用和安全。首先在研究和测试了布拉格光栅温度和应力灵敏度的基础上,将3根光栅分别以平行于碳纤维的方向置入预浸料的上、中、下3个位置,以此获得复合材料不同厚度位置的残余应力变化情况。监测结果表明,上、下层光栅监测到的预浸料固化过程几乎完全一致,而在降温时下层的布拉格光栅残余应力则比上层的要大得多,中间层布拉格光栅在固化过程中测得的残余应力最小,但在降温过程中的热残余应力不易释放而导致最后的残余应力也较大。     

光纤光栅监测缠绕复合材料与铝板界面的固化应变

树脂基复合材料经常与金属材料固化在一起使用。用缠绕方法制备了复合材料单向板, 将光纤布拉格光栅(FBG) 埋入复合材料与铝板之间, 监测两种不同的材料在固化过程中界面的性质, 并与复合材料内部的监测结果相比较。监测结果表明, 光纤布拉格光栅准确地监测到了复合材料固化过程的温度历程, 复合材料内部、铝板和复合材料的界面在固化过程中和固化后应变存在着明显的差异。光纤光栅传感器为两种不同材料之间的固化监测提供了工具, 对界面性质的分析提供了新方法。      

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.     

Strain monitoring in composite-strengthened concrete structures using optical fibre sensors

In this paper, the mechanical behaviour of the composite-strengthened concrete structures is addressed. Optical fibre sensor presents a great deal of potential in monitoring the structural health condition of civil infrastructure elements after strengthening by externally bonded composite materials. The use of embedded optical fibre sensor for strain and temperature monitoring enables to reveal the status of the composite-strengthened structure in real-time remotely. In this paper, an experimental investigation on the composite-strengthened concrete structures with the embedment of fibre-optic Bragg grating (FBG) sensors is presented. Single- and multiplexed-point strain measuring techniques were used to measure strains of the structures. Frequency modulated continuous wave (FMCW) method was used to measure strains in different points of the structure with using only one single optical fibre. All strains measured from the sensors were compared to conventional surface mounted strain gauges. Experimental results show that the use of the embedded FBG sensor can measure strain accurately and provide information to the operator that the structure is subjected to debond or micro-crack failure. Multiplexed FBG strain sensors enable to measure strain in different locations by occupying only one tiny optical fibre. Reduction of strength in composite laminate is resulted if the embedded optical fibre is aligned perpendicular to the load-bearing direction of the structure.