三维编织复合材料内部应变场有限元计算与原位测量
发布时间：2021-10-09 10:15
三维编织复合材料被大量用于航空结构设计,在航空服役过程中需承受各种复杂载荷。测量三维编织复合材料内部原位应变,将其应用于建立材料失效预警系统和结构强度设计。在三维编织复合材料内部埋植光纤Bragg光栅传感器和在材料表面粘贴应变片,同时测量结构内部和表面原位应变。构建均质模型和细观结构模型,采用有限元方法分析内部原位应变场分布,有限元分析结果和试验测量结果吻合性较好。发现在准静态单轴拉伸载荷作用下,三维编织复合材料不同位置原位应变值产生变化。三维编织复合材料轴向正中间截面应变分布较为均匀;内单胞处原位应变略大于面单胞处原位应变（最大差值约0.08%）;外表面原位应变大于面单胞处原位应变（最大差值约0.1%）。在三维编织复合材料航空结构设计中,需要充分考虑并合理使用三维编织复合材料不同位置的应变值,使材料设计和利用效率最大化。
【文章来源】：航空制造技术. 2020,63(15)
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
固化后横截面Fig.3Cross-sectionaftercuring显微镜照片（b）SEM照片100μm
uralHealthMonitoring2020年第63卷第15期·航空制造技术732.4拉伸测试试件FBG传感器栅区埋植在复合材料的位置为：试件轴向正中间位置的面单胞和内单胞处，如图4所示，可以看出，三维编织复合材料的角纱（角单胞）占比很小，因此忽略。本试验共制备3种试样，分别记为No_FBG（未内置FBG传感器试样）、FBG_S、FBG_I。其中，“FBG”表示内置FBG传感器的试样，“S”、“I”分别表示复合材料面单胞和内单胞位置。在试样中光栅栅区所对应的外表面粘贴应变片，如图4和图5所示。2.5准静态单轴拉伸测试本试验采用810万能材料测试系统（MTS）对三维编织复合材料试样进行准静态单轴拉伸测试，试样拉伸速度为2mm/min。FBG传感器信号调制和波长解调采用sm125型光纤光栅解调仪。应变片信号采集采用安捷伦KEYSIGHT34970A/34972A数据采集仪，该仪器可高精度直接线性测量应变片电阻。测试仪器如图6所示。本试验在恒温下进行，测试过程中，室内温、湿度无明显变化。试样为准静态拉伸测试，拉伸速率缓慢，材料在失效过程中不会在瞬间释放大量热，因此温度对本试验无影响，FBG传感器和应变片不进行温度补偿。三维编织复合材料有限元模型1均质模型三维编织复合材料由碳纤维束表2三维编织复合材料基本参数Table2Parametersfor3Dbraidedcomposites类型参数纤维体积分数Vf/%40编织角α/（°）41FBG传感器轴向/应变片粘贴方向/（°）0515040100200mm面单胞位置内单胞位置FBG应变片应变片FBG传感器接头FBG_S图4传感器所处位置示意图Fig.4Schemeofpositionsofsen
FBG”表示内置FBG传感器的试样，“S”、“I”分别表示复合材料面单胞和内单胞位置。在试样中光栅栅区所对应的外表面粘贴应变片，如图4和图5所示。2.5准静态单轴拉伸测试本试验采用810万能材料测试系统（MTS）对三维编织复合材料试样进行准静态单轴拉伸测试，试样拉伸速度为2mm/min。FBG传感器信号调制和波长解调采用sm125型光纤光栅解调仪。应变片信号采集采用安捷伦KEYSIGHT34970A/34972A数据采集仪，该仪器可高精度直接线性测量应变片电阻。测试仪器如图6所示。本试验在恒温下进行，测试过程中，室内温、湿度无明显变化。试样为准静态拉伸测试，拉伸速率缓慢，材料在失效过程中不会在瞬间释放大量热，因此温度对本试验无影响，FBG传感器和应变片不进行温度补偿。三维编织复合材料有限元模型1均质模型三维编织复合材料由碳纤维束表2三维编织复合材料基本参数Table2Parametersfor3Dbraidedcomposites类型参数纤维体积分数Vf/%40编织角α/（°）41FBG传感器轴向/应变片粘贴方向/（°）0515040100200mm面单胞位置内单胞位置FBG应变片应变片FBG传感器接头FBG_S图4传感器所处位置示意图Fig.4Schemeofpositionsofsensors图5试样实物图Fig.5Photographofsample应变片引线FBG-TMTSsm12534972A数据采集仪图6试验测试仪器Fig.6Equipmentfortesting和环氧树脂两相材料复合成的一体化结构，由FBG传感器测量的内部应变和应变片测量的表面应变均针对于复合材料一体化结构，而不是单
【参考文献】：
期刊论文
[1]Tensile Properties of 3-Dimension-4-directional Braided Cf/Si C Composite based on Double-scale Model[J]. 牛序铭,SUN Zhigang,宋迎东,GAO Xiguang. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2017(06)
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[8]Internal Strain Measurement in 3D Braided Composites Using Co-braided Optical Fiber Sensors[J]. Shenfang YUAN, Rui HUANG and YunjiangAeronautic Key Laboratory for Smart Materials and Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, ChinaKey Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of the Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China. Journal of Materials Science & Technology. 2004(02)
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博士论文
[1]四步法三维编织复合材料弯曲疲劳性质及损伤演化有限元分析[D]. 吴利伟.东华大学 2014
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[3]三维四向编织复合材料的力学性能研究[D]. 严实.哈尔滨工业大学 2007
[4]基于均匀化理论的三维编织复合材料宏细观力学性能的数值模拟[D]. 董纪伟.南京航空航天大学 2007
[5]基于编入光纤传感器的三维编织复合材料性能研究[D]. 李向华.南京航空航天大学 2005
[6]三维编织复合材料性能及工艺的光纤测试技术研究[D]. 黄睿.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]基于光纤Bragg光栅传感器的碳纤维复合材料内部热应变场监测[D]. 贾卫芳.东华大学 2016
[2]三维编织复合材料力学性能测试的数值模拟[D]. 王海鹏.哈尔滨工业大学 2006
[3]Bragg光纤光栅的应力及温度传感特性研究[D]. 赵磊.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3426165
【文章来源】：航空制造技术. 2020,63(15)
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
固化后横截面Fig.3Cross-sectionaftercuring显微镜照片（b）SEM照片100μm
uralHealthMonitoring2020年第63卷第15期·航空制造技术732.4拉伸测试试件FBG传感器栅区埋植在复合材料的位置为：试件轴向正中间位置的面单胞和内单胞处，如图4所示，可以看出，三维编织复合材料的角纱（角单胞）占比很小，因此忽略。本试验共制备3种试样，分别记为No_FBG（未内置FBG传感器试样）、FBG_S、FBG_I。其中，“FBG”表示内置FBG传感器的试样，“S”、“I”分别表示复合材料面单胞和内单胞位置。在试样中光栅栅区所对应的外表面粘贴应变片，如图4和图5所示。2.5准静态单轴拉伸测试本试验采用810万能材料测试系统（MTS）对三维编织复合材料试样进行准静态单轴拉伸测试，试样拉伸速度为2mm/min。FBG传感器信号调制和波长解调采用sm125型光纤光栅解调仪。应变片信号采集采用安捷伦KEYSIGHT34970A/34972A数据采集仪，该仪器可高精度直接线性测量应变片电阻。测试仪器如图6所示。本试验在恒温下进行，测试过程中，室内温、湿度无明显变化。试样为准静态拉伸测试，拉伸速率缓慢，材料在失效过程中不会在瞬间释放大量热，因此温度对本试验无影响，FBG传感器和应变片不进行温度补偿。三维编织复合材料有限元模型1均质模型三维编织复合材料由碳纤维束表2三维编织复合材料基本参数Table2Parametersfor3Dbraidedcomposites类型参数纤维体积分数Vf/%40编织角α/（°）41FBG传感器轴向/应变片粘贴方向/（°）0515040100200mm面单胞位置内单胞位置FBG应变片应变片FBG传感器接头FBG_S图4传感器所处位置示意图Fig.4Schemeofpositionsofsen
FBG”表示内置FBG传感器的试样，“S”、“I”分别表示复合材料面单胞和内单胞位置。在试样中光栅栅区所对应的外表面粘贴应变片，如图4和图5所示。2.5准静态单轴拉伸测试本试验采用810万能材料测试系统（MTS）对三维编织复合材料试样进行准静态单轴拉伸测试，试样拉伸速度为2mm/min。FBG传感器信号调制和波长解调采用sm125型光纤光栅解调仪。应变片信号采集采用安捷伦KEYSIGHT34970A/34972A数据采集仪，该仪器可高精度直接线性测量应变片电阻。测试仪器如图6所示。本试验在恒温下进行，测试过程中，室内温、湿度无明显变化。试样为准静态拉伸测试，拉伸速率缓慢，材料在失效过程中不会在瞬间释放大量热，因此温度对本试验无影响，FBG传感器和应变片不进行温度补偿。三维编织复合材料有限元模型1均质模型三维编织复合材料由碳纤维束表2三维编织复合材料基本参数Table2Parametersfor3Dbraidedcomposites类型参数纤维体积分数Vf/%40编织角α/（°）41FBG传感器轴向/应变片粘贴方向/（°）0515040100200mm面单胞位置内单胞位置FBG应变片应变片FBG传感器接头FBG_S图4传感器所处位置示意图Fig.4Schemeofpositionsofsensors图5试样实物图Fig.5Photographofsample应变片引线FBG-TMTSsm12534972A数据采集仪图6试验测试仪器Fig.6Equipmentfortesting和环氧树脂两相材料复合成的一体化结构，由FBG传感器测量的内部应变和应变片测量的表面应变均针对于复合材料一体化结构，而不是单
【参考文献】：
期刊论文
[1]Tensile Properties of 3-Dimension-4-directional Braided Cf/Si C Composite based on Double-scale Model[J]. 牛序铭,SUN Zhigang,宋迎东,GAO Xiguang. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2017(06)
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[3]三维编织技术和三维编织复合材料[J]. 李嘉禄. 新材料产业. 2010(01)
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[6]光纤光栅应变传感器监测复合材料层板疲劳过程[J]. 武湛君,万里冰,张博明,赵海涛. 复合材料学报. 2004(06)
[7]基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测[J]. 刘小会,袁慎芳. 南京航空航天大学学报. 2004(05)
[8]Internal Strain Measurement in 3D Braided Composites Using Co-braided Optical Fiber Sensors[J]. Shenfang YUAN, Rui HUANG and YunjiangAeronautic Key Laboratory for Smart Materials and Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, ChinaKey Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of the Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400044, China. Journal of Materials Science & Technology. 2004(02)
[9]二步法和四步法三维编织复合材料轴向力学性能的比较研究[J]. 孙颖,李嘉禄,李学明. 天津工业大学学报. 2003(04)
[10]三维编织中纱线的运动规律分析[J]. 陈利,李嘉禄,李学明. 复合材料学报. 2002(02)
博士论文
[1]四步法三维编织复合材料弯曲疲劳性质及损伤演化有限元分析[D]. 吴利伟.东华大学 2014
[2]耐温光纤布拉格光栅传感器涂层的研究[D]. 殷燕子.武汉理工大学 2012
[3]三维四向编织复合材料的力学性能研究[D]. 严实.哈尔滨工业大学 2007
[4]基于均匀化理论的三维编织复合材料宏细观力学性能的数值模拟[D]. 董纪伟.南京航空航天大学 2007
[5]基于编入光纤传感器的三维编织复合材料性能研究[D]. 李向华.南京航空航天大学 2005
[6]三维编织复合材料性能及工艺的光纤测试技术研究[D]. 黄睿.南京航空航天大学 2002
硕士论文
[1]基于光纤Bragg光栅传感器的碳纤维复合材料内部热应变场监测[D]. 贾卫芳.东华大学 2016
[2]三维编织复合材料力学性能测试的数值模拟[D]. 王海鹏.哈尔滨工业大学 2006
[3]Bragg光纤光栅的应力及温度传感特性研究[D]. 赵磊.哈尔滨工程大学 2005
本文编号：3426165
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