光纤缠绕式应变传感器

研究了一种可用于机敏复合材料与结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器,它由两根以上多模光纤相互缠绕绞合形成。分析了该传感器的应变传感原理,得到其既能测量拉应变、又能测量压应变的结论。传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性,灵敏度高,无迟滞现象。对植入碳纤维/环氧复合材料内的光纤缠绕型应变传感器的实验结果与理论分析一致,表明该传感器是适合于机敏复合材料与结构状态监测的较为理想的光纤传感器。     

复合材料层间应变测试实验

复合材料受到应力作用层间会产生变形,应力过大层间会出现撕裂的现象。针对这一问题, 利用光纤法珀应变传感器与复合材料层间间隙尺寸相当的特点,将该传感器置入复合材料层间,在万能拉伸仪上进行复合材料应变测试实验。实验表明:利用光纤法珀应变传感器检测复合材料层间应变的方法是完全可行的。     

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。     

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。      

复合材料胶层光纤布格光栅应变监测优化配置研究

航空航天用复合材料粘接胶层在制造和服役过程中不可避免会产生各种缺陷和损伤。针对其粘接胶层缺陷和损伤检测,基于光纤光栅应变传感原理,提出一种针对复合材料胶接层结构应变监测的光纤光栅传感网络优化配置的方法。通过仿真和实验研究了埋入复合材料构件胶接层的光纤布拉格光栅传感器在静载作用下的敏感区域分布特性,分析了载荷位移与布拉格波长漂移的关系,建立符合光纤布拉格光栅传感器实际特点的探测模型,采用粒子群优化算法进行光纤光栅传感网络的优化布置,研究结果表明光纤布拉格光栅传感器位置经优化后,覆盖率得到明显提高。     

大型结构应变场光纤分布监测系统

研究了一种用于大型工程结构应变、变形状态监测的基于光时域反射技术的分布式光纤应变传感系统。设计了一种新型的光纤微弯传感器结构,用于对沿传感光纤分布各测量点的应变信息进行提取;在此新结构的基础上,了全光纤型应变传感器串行阵列,以对构件应变测量和安全监测为主要目标,建立了起了分布光纤应变实时监测系统,进行了系统实验了得到了良好的结构。     

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。     

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。      

光纤Bragg光栅用于三维编织复合材料结构的内应变测量

本文对应用光纤Bragg光栅传感器编入三维编织复合材料结构内部的测量进行了研究.首先简要介绍了光纤光栅的编入方法和传感原理.随后进行的实验结果显示由应变计及光纤光栅所得到的载荷-应变曲线都具有良好的线性关系,实验之间的结果符合得很好,表明光纤Bragg光栅传感器可以用来精确检测编织试件复杂载荷状态下的内应变.从而将会促进光纤光栅在3-D编织复合材料结构的内部结构检测和强度失效分析中的更广泛应用.     

FBG智能传感器及其在土木工程中的应用研究

光纤光栅传感器已经越来越得到土木工程界的认可,并应用到了实际工程.针对大型土木工程结构长期健康监测的变形监测需要,在光纤光栅传输理论的基础上,分析了光纤光栅应变与温度传感特性以及光纤光栅应变传感的温度补偿原理和方法;研制开发出满足工程应用的光纤光栅封装传感器、FRP-OFBG复合智能筋、光纤光栅智能拉索;此外,考虑传感器开发和工程应用的需要,研究了光纤光栅应变传感的界面传递机理和误差修正.最后,建立了光纤光栅智能监测系统,并成功地将光纤光栅传感器应用到实际桥梁结构的施工与运营监测.     

国产碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能

应变不变量失效理论是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论, 广泛应用于复合材料结构失效分析。根据该理论, 建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械应变放大系数和热应变放大系数。对国产复合材料CCF300/5228、CCF300/5428和T700/5428不同铺层角单向层合板进行拉伸试验, 并根据试验结果得到对应复合材料的应变不变量性能。分析了增强体纤维和树脂基体对复合材料应变不变量性能的影响; 并将应变不变量失效理论应用于国产复合材料失效分析。结果表明碳纤维增强树脂基复合材料应变不变量性能中的第一应变不变量和基体Von-Mises应变临界值取决于树脂, 而纤维Von-Mises应变临界值取决于增强体纤维; 应变不变量失效理论能够用于国产复合材料失效分析。      

纤维厚度和体积分数对压电纤维复合物应变性能的影响

实验制备了不同纤维厚度和体积分数的压电纤维复合物, 并在0.1 Hz的激励电压下测试了压电纤维复合物的自由应变性能和驱动性能, 研究复合物典型结构参数对其性能的影响。实验发现, 随着压电纤维厚度增加, 复合物自由应变和顶端位移下降, 1000 V激励电压下, 纤维厚度为200 μm样品纵向自由应变为665 με, 驱动Mylar膜产生的顶端位移为1.9 mm, 而纤维厚度为300 μm和400 μm样品的纵向自由应变仅为纤维厚度为200 μm样品的23.2%和11.7%, 顶端位移为纤维厚度为200 μm样品的45.8%和19.0%。压电纤维复合物具有驱动正交异性, 横向自由应变、纵向自由应变以及横向效应系数随着纤维体积分数的降低而减小, 纤维体积分数为74%的复合物其横向自由应变和纵向自由应变分别为体积分数为59%样品的2.04倍和1.72倍, 横向效应系数也从0.519减小到0.451。     

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

环境温度对压电纤维复合材料性能的影响

针对压电纤维复合材料在航天、航空领域的应用,研究极端环境温度对复合材料性能的影响。首先制备了基于锆钛酸铅(PZT)陶瓷的压电纤维复合材料,然后测试环境温度对压电纤维复合材料电学阻抗、自由应变、驱动性能和力学性能的影响。结果表明,环境温度对压电纤维复合材料的阻抗相位角差值有显著影响。随着环境温度的升高,压电纤维复合材料的自由应变和悬臂梁驱动性能均先增加后减小,环境温度为20℃时性能最佳,样品的最大纵向自由应变为604.0×10?6,驱动铝板悬臂梁产生的顶端位移为0.789 mm。当环境温度为?88℃和80℃时,样品最大纵向自由应变分别为20℃时的46.9%和51.3%,顶端位移分别为20℃时的79.6%和83.7%。当环境温度从?88℃升高至80℃时,压电纤维复合材料的抗拉强度逐渐提升。      

UV光固化玻璃纤维布/EP-PBMA树脂复合材料的力学性能

设计了光热共引发环氧树脂-聚甲基丙烯酸丁酯(EP-PBMA)树脂,并制备了UV光固化玻璃纤维布增强EP-PBMA树脂基复合材料,研究了不同EP与PBMA质量比的玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料在不同加载速率下的拉伸力学性能。结果表明: 玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料具有明显的应变率效应;随着加载速率增大,复合材料的拉伸强度和弹性模量呈增大趋势;EP-PBMA树脂基体的组成对应变率效应有明显的影响;玻璃纤维布/EP-PBMA复合材料与纯EP基复合材料相比,在较低的加载速率下具有更高的拉伸强度,但当加载速率达到50 mm/min时拉伸强度较低。     

编织角和承载方向对三维四向编织复合材料动态压缩性能的影响

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对三维四向编织碳纤维增强树脂基复合材料的动态压缩性能进行了研究。通过对编织角为20°、30°和45°的试验件分别进行沿纵向、横向和厚度方向的动态压缩试验,得到材料在800~2 000/s应变率范围内的应力-应变曲线,并与准静态压缩试验结果进行对比,研究了应变率、压缩方向及编织角对材料极限强度和弹性模量的影响。结合高速摄影记录的动态压缩过程,进一步分析了不同情况下材料的破坏模式与破坏过程。结果表明：应变率越高,材料的极限强度和弹性模量越大,材料在受压的三个方向上均具有一定的应变率强化效应,且高应变率下表现出比准静态压缩时更明显的脆性;编织角的改变对材料在三个方向上的动态压缩性能均有影响,其中对纵向的影响最为明显;不同方向受压时材料的失效形式不同,且准静态和高应变率下的失效形式也有区别。     

Micromechanical modelling for onset of distortional matrix damage of fiber reinforced composite materials

A new multi-scale modelling approach is applied to specimen testing to define the critical strain invariants for the damage onset theory proposed by Gosse, Christensen and Hart-Smith. The onset theory is a micromechanics theory that uses critical strain invariants to predict the onset of damage within fiber polymer composites. To obtain the critical strain invariants for the matrix, finite element analyses are required of unidirectional off-axis specimens that have been tested to failure. The strains remain linear to failure and critical strain invariants can be determined from a linear finite element analysis but the use of continuum models to obtain the critical values requires strain enhancement factors. In this paper a new micromechanics-based modelling approach is proposed. A finite element analysis of the composite specimen is implemented with a square fiber array embedded within the polymeric matrix. Failure initiation sights are identified to obtain the critical values directly without the need for the strain enhancement factors. Numerical examples of the modelling process are provided including a 10° off-axis coupon with rectangular tabs. The results are compared to different modelling approaches. The tests and modelling are repeated for a 20° off-axis coupon but with oblique as well as rectangular tabs.     

考虑双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型

为了准确描述复合材料编织物的各向异性力学特性,首先,基于纤维增强复合材料连续介质力学理论提出了一种考虑纤维双拉耦合的复合材料编织物各向异性超弹性本构模型,该模型中单位体积的应变能被解耦为便于参数识别的纤维拉伸变形能、双拉耦合引起的挤压变形能和纤维间角度变化产生的剪切变形能;然后,给出了模型参数的确定方法,并通过拟合单轴拉伸、双轴拉伸和镜框剪切实验数据得到了本构模型参数;最后,利用该模型对双轴拉伸和镜框剪切实验进行了数值仿真,并将模拟结果与实验结果对比分析。结果表明:提出的本构模型适用于表征复合材料编织物在成型过程中由于大变形引起的非线性各向异性力学行为。所得结论表明提出的本构模型具有简单、实用的优点,且材料参数容易确定,可为复合材料编织物成型的数值模拟和工艺优化奠定理论基础。      

陶瓷纤维增强SiO2气凝胶复合材料面内拉伸非均匀全场应变测量与分析

通过设计圆弧边缘夹持方案和狗骨形拉伸试样,开展了陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料室温环境中的面内拉伸性能试验,采用数字图像相关方法对陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料表面的全场变形进行测量和分析,并结合获得的非均匀应变分布情况进一步讨论其力学行为特征和变形断裂机制。结果表明:纤维增强增韧机制使陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料的面内拉伸行为表现出一定的非线性及韧性特征;在一定载荷水平下,陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料表面应变分布呈显著的非均匀特征,与内部随机的纤维排布及各处传力情况不同相关,可选择较大计算区域进行平均化处理来减弱对测试中应变度量的影响;在加载和断裂过程中陶瓷纤维增强SiO₂气凝胶复合材料表面存在局部应变集中现象,并随着裂纹扩展而发生演变,面内拉伸载荷下的宏观断口呈锯齿状特征,主要由剪应力主导的基体断裂、法向针刺对纤维铺层的约束等原因所致。本文研究结果为隔热复合材料的强韧化性能提高指明了方向。      

考虑纤维随机分布的复合材料热残余应力分析及其对横向力学性能的影响

建立了考虑纤维随机分布并包含界面的复合材料微观力学数值模型,模拟玻璃纤维/环氧复合材料固化过程中的热残余应力。通过与纤维周期性分布模型的计算结果进行对比,发现纤维分布形式会对复合材料的热残余应力产生重要影响,纤维随机分布情况下的最大热残余应力明显大于纤维周期性分布的情况下。研究了含热残余应力的复合材料在横向拉伸与压缩载荷下的损伤和破坏过程,结果表明:热残余应力的存在显著影响了复合材料的损伤起始位置和扩展路径,削弱了复合材料的横向拉伸和压缩强度。在横向拉伸载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度有所下降,断裂应变显著降低;在横向压缩载荷下,考虑热残余应力后,复合材料的强度略有下降,但失效应变基本保持不变。由于热残余应力的影响,复合材料的横向拉伸和压缩强度分别下降了10.5%和5.2%。