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碳纤维智能层的特性及其场域监测

张小玉  
【摘要】: 随着大跨度结构和超高层建筑的不断发展,大型土木工程结构健康监测(SHM)的研究与应用越来越受到学术界和工程界的重视。本文系统地开展碳纤维智能层传感特性理论与实验研究,提出一种用于土木工程结构健康监测的可视化新方法,该方法将智能层覆盖于土木工程结构表面,形成类似于皮肤的薄膜,利用其功能特性和导电性,将结构的应变或者应力转化为智能层的易于检测的电参数,结合电阻率层析成像技术,实现土木工程结构场域监测的可视化。主要创新成果包括以下几个方面: 1.提出一种新的碳纤维智能层作为应变传感器,通过大量实验分别对树脂基碳纤维智能层和水泥基碳纤维智能层的传感特性、界面安装方法等进行了研究,建立了一种基于敏感场的“场”信息的工程结构监测的新方法。 2.建立了基于碳纤维智能层在复杂应力状态下的压阻效应理论模型,推导平面应力状态下的压阻系数矩阵的简化,实现碳纤维智能材料功能特性由实验到理论的突破,由一维向二维的突破。 3.首次在结构表面采用碳纤维智能层,利用智能层良好传感功能特性和导电性,借助ERT技术,成功建立了受力结构的全场应变监测的理论方法。 4.研制了一套碳纤维智能层ERT系统,并得到了实验的验证。实现了结构健康监测结果图像化、可视化的新型诊断方法。实现了智能系统从模型、试验到理论的集成。 主要研究工作包括以下几个方面: 1.进行了碳纤维毡单调拉伸、循环加载实验,研究碳纤维毡的应变-电阻效应,通过实验结果分析得到其应变灵敏度和传感极限数据结果;考虑到环境因素对碳纤维毡电阻的影响,对碳纤维毡的温度-电阻效应也进行了测试;在微观实验中,初步分析碳纤维毡的传感机理。 2.建立基于碳纤维毡智能层的压阻理论模型,推导平面应力状态下的压阻系数矩阵的简化,为后续的场域监测提供理论依据;将碳纤维毡铺在树脂中制作成树脂基智能层,作为应变传感器,检测其静态性能;将碳纤维毡铺在水泥中制作成水泥基智能层,作为应变传感器铺设于实验梁的表面,通过三点弯曲实验研究水泥基智能层的压敏性、线性、灵敏度、重复性、电阻变化率与梁的平均应变的一致性;将水泥基碳纤维智能层铺制到有预制缺陷的混凝土结构梁上,研究了智能层的传感功能特性,同时还发现如果在水泥中掺入少量的短切碳纤维来增加基体的导电性,可以大大的提高智能层的灵敏度。 3.对求解ERT逆问题基础的ERT正问题进行研究,具体利用有限元法(FEM)对ERT场域进行了数学描述,研制了ERT有限元系统。该系统实现了给定场域进行剖分、设置场内电阻率分布、求解ERT正问题等功能,并用几种典型电阻率分布下的解析解对该系统进行了验证,达到满意的数值计算精度。 4.建立碳纤维智能层图像重建模型,利用改进的修正牛顿——拉夫逊方法求解ERT逆问题,针对问题的病态特征,用正则化处理方法进行改进。开发了一套具备较强反演功能的ERT成像系统,并对反演部分进行了验证。 5.对圆板结构在不同载荷,不同工况下进行虚拟实验,将所得数据代入ERT系统,反演智能层电阻率分布情况;对某一实际工程结构进行虚拟实验,反演电阻率分布情况;将树脂基碳纤维智能层铺设在圆板试样表面,在不同加载方式下进行ERT系统原理性成像实验。研究结果表明:应用ERT技术可以对碳纤维智能层的服役状态或状态的变化进行场域监测。此外,实验研究验证了论文理论分析和研制的碳纤维智能层ERT系统是正确和有效的,同时说明利用碳纤维智能层的功能特性来对其结构实施ERT场域监测是可行的。


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