液氧相容改性环氧树脂体系低温力学性能分子动力学模拟

使用含磷阻燃剂分子对环氧树脂进行化学改性可以提高材料的液氧相容性,但将显著改变环氧树脂固化物的力学性能。利用分子动力学(MD)模拟方法,研究了10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)改性环氧树脂的低温力学性能。首先采用两步反应方案来制备改性的环氧热固性交联网络,然后分别给予ReaxFF与Dreiding力场,基于截断键长实现精确有效的键断裂模拟。着重探索了不同磷含量对分子网络结构和材料性能的影响。研究发现,链长分布特征是决定材料力学性能的关键因素。而通过链长调节(CLR),材料在低温下的力学性能可以明显增强。为高性能液氧相容热固性树脂和复合材料的设计和制造提供了有价值的参考,有助于提高复合材料在恶劣工程环境下的耐受性。     

先进复合材料用环氧树脂的固化反应和化学流变

用等温差示扫描量热法(DSC)研究了HD03环氧树脂在一定温度范围内的固化反应。试验结果表明,该环氧树脂体系的固化动力学符合自催化固化反应模型。由试验确定了模型中的动力学参数。发现在树脂的固化后期,固化反应由化学反应控制转变为扩散控制。用以绝对反应速率理论为基础的化学粘度分析模型研究了较高温度范围内HD03环氧树脂的等温粘度和变温的动态粘度变化。用MCR 300流变仪测量并计算了HD03环氧树脂的等温粘度和动态粘度。理论预测与试验结果相吻合。      

基于分布式光纤的蜂窝夹层结构脱粘损伤监测

航空航天蜂窝夹层结构服役环境恶劣,需要发展相应的结构健康监测技术以保证结构的安全运行。脱粘损伤因发生在内部胶层而难以监测,该文采用埋入胶层的分布式光纤传感器对蜂窝夹层结构脱粘损伤进行监测。在预埋损伤监测试验中采用高强光纤和边界浅槽的方式提高传感器存活效率,得到脱粘损伤应变特征。采用参数化建模方式对不同损伤位置进行大量有限元模拟,加入白噪声后得到含有脱粘损伤特征的13 500组数据。将模拟数据代入卷积神经网络进行训练,训练后的网络对试验损伤数据的识别准确率达到98.84%。该方法能够识别20 mm2 脱粘损伤,同时定位平均误差小于4 mm。     

基于逆有限元的蜂窝板结构形状传感研究

蜂窝铝芯夹层复合材料因其优异的力学性能以及良好的隔热、减震性能而广泛应用于航空航天领域。但是,复杂的结构形式给后续的结构健康监测以及剩余寿命评估带来了困难。大量文献证明逆有限元方法在形状传感以及应力应变场重构方面具有独特的优势。在实际应用中,应变传感器的布设数量受到成本等各种因素限制,因此传感器的数量和位置的合理选择是准确重构结构变形的关键因素。基于精细化的蜂窝板模型以及等效的夹层板模型,利用不同的应变传感器布设方案,研究了最佳的蜂窝板状态重构策略。通过算例分析可知,基于均质的夹层板模型,利用少量的应变数据(方案C)也可以准确地重构出蜂窝板的变形,而精细化的蜂窝板模型则需要大量的应变输入。     

光纤传感器在民用建筑结构中的应用

为了降低建筑结构的维修与维护成本,增加结构安全可靠程度,对建筑结构的健康状况在线监测与评估就显得十分重要,光纤传感器相对于传统监测手段具有体积小、与结构相容性好、灵敏度高、具有线性响应、信带宽、抗电磁干扰能力强、抗衰减能力强、安装方式灵活和可进行长期在线监测等特点,因此用于监测民用结构的研究非常活跃,新的传感器不断出现,并且已经开始在实际施工当中尝试进行如应变、应力、裂纹、振动等对安全至关重要的信息的监测,根据用途对适用于民用建筑结构的光纤传感器进行归纳分析,介绍了其原理、使用方法以及在应用过程中易出现的问题与解决方法,对光纤传感器在民用建筑结构中应用研究的发展方向提出了指导性观点。     

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。      

加筋复合材料圆筒结构的撞击识别

以加筋复合材料圆筒结构为对象,研究了复合材料结构的外部低速撞击识别问题。采用压电传感器获取发生低速撞击时在结构内产生的应力波信号。针对加筋复合材料结构的撞击位置识别,特别是监测区域边缘的位置识别问题,提出了基于传感器信号功率的两步法来估计撞击位置; 撞击载荷的重构采用系统辨识方法,通过分析系统辨识方法中传递函数的模型阶次和相关性系数的关系,提出了模型阶次选择的原则以进一步完善该方法。结果表明: 所提出的两步定位法可较好地估计所有监测区域的撞击位置,所改进的系统辨识方法可较好地识别非加筋区域上的撞击位置和撞击载荷时间历程; 当撞击点为加筋区域时,由于筋条对应力波传播的复杂影响导致撞击识别误差偏大。     

非轴对称多元载荷条件下管道中纵向模态导波激励

轴对称载荷是管道中轴对称模态导波激励的有效方法。然而,受换能器安装误差等因素的影响,激励载荷多会变为非轴对称载荷,进而使激励出的导波模态变得复杂。对非轴对称多元载荷条件下纵向模态导波的激励问题进行了深入研究。考虑两种典型的非轴对称载荷,采用简正模态展开技术,建立了导波激励声场与边界载荷的量化关系,进而分析了各模态导波的产生机理及载荷阵列对纵向导波激励的影响。采用有限元数值模拟验证了理论预测结果。考虑实际管道检测中出现的非轴对称载荷,提出了一种载荷补偿策略并进行了实验验证。结果表明,该方法能够有效抑制弯曲模态导波的产生,同时也有助于改善导波信号的噪声水平。     

基于光纤光栅传感技术的桥梁结构内部应变监测

利用预先埋入的光纤布拉格光栅(FBGs)实现了实际大型钢筋混凝土工程结构的内部应变监测。在施工期间，将多个FBGs传感器布设到黑龙江呼兰河大桥内部，探索了在建筑施工现场对光纤传感器进行安装、埋入以及传感线路保护的解决方案，并在桥梁施工、桥梁静载实验和桥梁运营阶段监测了呼兰河大桥局部的应变响应。现场实验表明，本系统满足土木工程结构长期健康监测的要求，为建立重要工程设施的结构健康监测系统奠定了基础。