复杂受力状态光纤光栅应变传递及工程化设计

发布时间：2017-07-20 23:16

  本文关键词：复杂受力状态光纤光栅应变传递及工程化设计

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【摘要】：光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器已经在结构健康监测中得到广泛应用,其测试数据的准确性对能否正确评定结构的健康状态有着重要影响。但是,经过封装后的FBG传感器的测试应变与被测基体的真实应变存在一定差异。封装层与被测基体材料性能之间的差异、基体的损伤累积、传感器的结构形式等因素都有可能对光纤光栅与被测基体之间的应变传递造成影响。有必要针对以上情况分析FBG传感器的应变传递机理,以对传感器进行合理设计,降低测试误差,获得较为准确的结构应变场。本文以玻璃纤维增强塑料(GFRP)材料封装的FBG应变传感器(GFRP-FBG应变传感器)为分析对象,从考虑混凝土基体弹塑性和长期蠕变特征的埋入式传感器的应变传递分析、可更换表面式传感器的应变传递分析以及基于应变传递理论的工程化FBG应变传感器设计等方面开展研究,主要研究内容如下：(1)对于埋入混凝土中的GFRP-FBG应变传感器,基于弹性应变传递理论,分别考虑混凝土基体的弹塑性行为和长期蠕变行为,选取适宜的本构关系,对应变传递理论进行推导,并通过有限元模拟对理论的合理性进行验证。基于应变传递理论公式,分析各参数对平均应变传递率的影响,选择不利条件作为后续传感器设计的基本计算条件。(2)基于结构力学中求解超静定结构的方法推导了一种新型的可更换表面式GFRP-FBG传感器的应变传递理论,并建立有限元模型对理论计算进行了验证。基于应变传递理论公式,分析支座参数与感知构件参数对传感器平均应变传递率的影响,为后续传感器设计提供一定的参考。(3)综合建筑工程材料和服役环境两个方面,分析土木工程对FBG应变传感器的需求。基于应变传递理论和土木工程的具体需求,对埋入式GFRP-FBG应变传感器和可更换表面式GFRP-FBG应变传感器进行设计。
【关键词】：光纤布拉格光栅 应变传递 埋入式传感器 可更换表面式传感器 传感器设计
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU317
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景与意义10-12
• 1.2 光纤光栅应变传感器的原理12-14
• 1.3 光纤光栅传感器应变传递理论的研究进展14-18
• 1.4 本文主要研究工作18-20
• 2 考虑混凝土基体弹塑性的埋入式FBG传感器应变传递分析20-38
• 2.1 引言20
• 2.2 考虑混凝土基体弹塑性的FBG传感器应变传递理论20-27
• 2.2.1 混凝土基体的弹塑性本构关系20-22
• 2.2.2 考虑混凝土基体弹塑性的应变传递理论22-27
• 2.3 考虑混凝土基体弹塑性的FBG传感器应变传递有限元模拟27-34
• 2.3.1 有限元软件选用的混凝土损伤塑性模型27-28
• 2.3.2 规范中的混凝土弹塑性本构关系与有限元软件的对应28
• 2.3.3 有限元建模28-30
• 2.3.4 有限元结果分析30-34
• 2.4 考虑混凝土基体弹塑性的应变传递影响因素分析34-37
• 2.4.1 混凝土的弹塑性发展状态34
• 2.4.2 混凝土标号34-35
• 2.4.3 FBG传感器的标距35-36
• 2.4.4 FBG传感器的封装半径36-37
• 2.5 本章小结37-38
• 3 考虑混凝土基体蠕变的埋入式FBG传感器应变传递分析38-53
• 3.1 引言38
• 3.2 考虑混凝土基体蠕变的FBG传感器应变传递理论38-42
• 3.2.1 混凝土基体的蠕变本构关系38-41
• 3.2.2 考虑混凝土基体蠕变的应变传递理论41-42
• 3.3 考虑混凝土基体蠕变的FBG传感器应变传递有限元模拟42-48
• 3.3.1 有限元软件中的粘弹性本构模型42-43
• 3.3.2 规范中的混凝土蠕变本构关系与有限元软件的对应43
• 3.3.3 有限元建模43-45
• 3.3.4 有限元结果分析45-48
• 3.4 考虑混凝土基体蠕变的应变传递影响因素分析48-52
• 3.4.1 时间48
• 3.4.2 混凝土标号48-49
• 3.4.3 周围环境相对湿度49-50
• 3.4.4 基体的理论厚度50
• 3.4.5 FBG传感器的标距50-51
• 3.4.6 FBG传感器的封装半径51-52
• 3.5 本章小结52-53
• 4 可更换表面式FBG传感器的应变传递分析53-64
• 4.1 引言53
• 4.2 可更换表面式FBG传感器的应变传递理论53-57
• 4.2.1 可更换表面式FBG传感器的结构与封装53-54
• 4.2.2 可更换表面式FBG传感器的应变传递理论54-57
• 4.3 可更换表面式FBG传感器的应变传递有限元模拟57-60
• 4.3.1 有限元建模57-59
• 4.3.2 有限元结果分析59-60
• 4.4 可更换表面式FBG传感器的应变传递影响因素分析60-63
• 4.4.1 支座高度与支座横截面惯性矩60-61
• 4.4.2 支座横截面面积61
• 4.4.3 FBG传感器的标距61-62
• 4.4.4 FBG传感器的封装层半径62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 5 基于应变传递理论的工程化GFRP-FBG应变传感器设计64-76
• 5.1 引言64
• 5.2 土木工程对应变传感器的需求64-67
• 5.3 FBG应变传感器封装材料的选择67
• 5.4 埋入式GFRP-FBG应变传感器的设计67-71
• 5.4.1 基于考虑混凝土弹塑性应变传递理论的传感器设计67-69
• 5.4.2 基于考虑混凝土蠕变应变传递理论的传感器设计69-70
• 5.4.3 工程化埋入式GFRP-FBG应变传感器的设计70-71
• 5.5 可更换表面式GFRP-FBG应变传感器的设计71-75
• 5.5.1 可更换表面式传感器的受压失稳问题71-72
• 5.5.2 基于应变传递理论的传感器设计72-73
• 5.5.3 工程化可更换表面式GFRP-FBG应变传感器的设计73-75
• 5.6 本章小结75-76
• 6 结论与展望76-78
• 6.1 结论76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况82-83
• 致谢83-84

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