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基于光纤传感技术的复合材料结构全寿命健康监测研究

赵海涛  
【摘要】: 先进复合材料结构广泛地应用于航空航天领域,为了预防结构的突然性破坏,降低维护成本,将健康监测技术应用于复合材料结构是一种行之有效的方法。光纤传感器与复合材料的兼容性好,抗干扰能力、耐腐蚀能力强,以光为传输信号,被广泛应用于埋入复合材料结构进行实时健康监测。本文以光纤传感器为监测工具,面向复合材料制造过程、服役过程,以提高复合材料产品合格率,降低复合材料的维护成本为目标,建立复合材料结构制造-服役全寿命健康监测体系,来实时监测可重复使用复合材料结构的制造、服役、损伤、破坏全寿命过程。本文针对该主题,开展了如下研究工作: 1.利用粘度信息实现了复合材料固化过程加压时机的准确控制,提高了材料制造过程的质量。通过等温粘度试验,经数据拟合获得了HD03环氧树脂的化学流变方程。将光纤布拉格光栅埋入到T300/ HD03复合材料中,监测固化过程的温度历程,将监测到的温度信息带入到树脂的化学流变方程中,实时地计算出粘度值,并选择合适的粘度值对复合材料制造施加压力。以层板厚度和残余应变为质量参数,比较了不同加压时机对层板厚度,残余应变,固化过程应变变化的影响,得到了制作质量较高层板加压时机的粘度范围。以埋入光纤光栅监测温度,转换为可作为加压时机选择参数的粘度值,能有效地控制加压时机,完成复合材料制造闭环控制,提高了复合材料的质量,实现了复合材料制造过程的监测。 2.基于光纤光栅传感器监测了复合材料和铝板的共固化过程,受温度载荷影响下的变形过程,为两种不同材料共同使用提供了实验数据基础。埋入光纤光栅传感器实时监测纤维缠绕单向板的固化过程,以及复合材料和铝板之间界面的固化应变。由于复合材料和铝板的热力学性能不同,在固化过程中复合材料内部与界面之间存在着差异,在固化过程后期会出现分离的现象,释放一部分热应力。将光纤光栅埋入复合材料与铝板的胶接件,复合材料外表面和铝板外表面粘贴光栅,在温度载荷下监测三处界面的应变变化历程,并与数值模拟结果进行了对比。胶粘剂在温度载荷下性能的变化,对复合材料表面的光栅监测结果影响较大,使监测值和模拟值有所不同。光纤光栅的可埋入性为两种不同材料的界面处应变变化提供了手段,监测数据提高了整体结构的安全性。 3.通过有限元软件对复合材料压力容器的分析,揭示了压力容器的破坏机理,为健康监测传感器的布设提供了依据。基于ANSYS有限元软件建立了复合材料压力容器模型,真实模拟了缠绕角度和封头变厚度,用应变测量和变形测量验证了有限元模型的准确性。应变测量使用电阻应变片,整体变形测量选择压力容器桶身的螺旋方向,使用SMARTape传感器进行监测;利用ANSYS提供的路径功能,实现了预报值与监测量的对比,两者一致。在此模型基础上,以Hashin失效准则和最大应力准则为判断依据,完成了复合材料压力容器渐进损伤分析,预测了爆破压力。建立有限元模型对结构进行分析,并通过实验进行验证,为健康监测提供了分析基础。 4.开发了一种干涉型光纤传感器,联合光纤光栅,实现了可重复使用复合材料结构服役过程的健康监测,为飞行器结构重要组成部分的全寿命健康监测奠定了基础。基于迈克尔逊干涉原理研制了一种适用于复合材料结构长距离监测的光纤传感器,利用微给进装置检验了传感器的拉伸响应,变形量与解调仪读数相一致;考察了传感器监测损伤的能力,以及温度响应特性。利用光纤光栅传感器监测结构点的应变,干涉型光纤传感器监测结构整体变形,建立了局部-整体全方位复合材料压力容器健康监测系统,监测了复合材料压力容器的低温工作性能,静水压力性能,将监测结果同有限元分析、应变片结果进行了对比,三者相符合。监测了复合材料压力容器的爆破过程,验证了监测系统察觉结构破坏的能力。完成了压力容器结构健康监测的研究,其可行性推动了飞行器上其它复合材料结构的实时全寿命监测。


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