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

发布时间：2017-10-11 04:10

  本文关键词：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

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【摘要】：碳纤维增强复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好和耐久性强等优点,已广泛用于汽车、轮船、航空航天等领域。然而,由于长时间受外部环境影响,复合材料结构难免会出现损伤或裂纹。高效无损检测技术对复合材料结构损伤进行长时间连续实时监测意义重大。光纤传感技术具有尺寸小、质量轻、灵敏度高等优点,是未来复合材料监测的热门方法。光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器作为光纤传感器的一种,除了具备传统光纤传感器的特点外,还具有很强的抗电磁干扰能力,并且抗光强波动,不受光波偏振态变化、光纤连接及耦合损耗的影响。将FBG传感器预埋于复合材料结构中,可以实现复合材料的在线实时健康监测。本文将FBG传感器分别埋入环氧树脂浇注体、两束碳纤维、碳纤维/环氧树脂单向板和碳纤维/环氧树脂平纹机织层压复合材料中,同时以一根自由态FBG传感器作为参考,进行温度补偿,采用SM125型光纤光栅解调仪测试四种材料在20~100℃温度范围内部热应变,分析四种材料在仅受温度载荷作用下内部热应变变化特征。研究方法和结果如下:(1)FBG传感器温度标定:光纤Bragg光栅中心波长与温度呈良好的线性关系,且重复性较好。(2)采用DMA对环氧树脂基体进行动态热力学测试。结果表明,高温对环氧树脂的力学性能影响显著,尤其在高于玻璃化转变温度Tg时,刚度急剧下降,粘性增加明显;此外,短时间内的加热不会影响复合材料的测试结果。(3)对埋有FBG传感器的环氧树脂浇注体进行性能测试。结果表明,埋入其中的FBG传感器不仅可以感知外界温度变化对环氧树脂浇注体内部热力学性能的影响,而且可以准确感知环氧树脂浇注体内部产生的热应力变化量。(4)参考FBG传感器以及埋入环氧树脂浇注体、两束碳纤维复合材料、碳纤维/环氧树脂单向板和碳纤维/环氧树脂平纹机织层压复合材料四种材料内FBG传感器的中心波长受温度变化影响。中心波长均随温度升高呈线性增加趋势,且拟合程度均较好,符合预期估计。(5)四种材料内FBG传感器在温度补偿前后中心波长漂移量也受温度影响,温度补偿前后四种材料中心波长漂移量均存在误差,为保证实验结果准确性,必须对埋入材料内的FBG传感器进行温度补偿。(6)热应变与材料结构关系:详细分析四种材料内部热应变,内部热应变均随温度升高而变大;在同一温度点,两束碳纤维中的热应变最大,环氧树脂浇注体中的热应变次之,其次是平纹机织层压复合材料,最后是单向板。
【关键词】：碳纤维/环氧复合材料 FBG传感器 温度补偿 热应变
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TP212
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 光纤光栅传感技术的产生与发展11-12
• 1.2 光纤智能结构复合材料12-13
• 1.3 基于FBG传感器的复合材料国内外研究现状13-17
• 1.3.1 固化监测13-14
• 1.3.2 无损检测14-16
• 1.3.3 结构健康监测16-17
• 1.4 研究中存在的问题17
• 1.5 本文研究内容17-18
• 2 FBG传感器传感原理及温度标定18-29
• 2.1 基本原理18-19
• 2.2 光纤Bragg光栅的温度传感原理19-20
• 2.3 光纤Bragg光栅的应变传感原理20
• 2.4 FBG传感器的温度标定20-27
• 2.4.1 Enlight软件调试21
• 2.4.2 实验仪器与步骤21-23
• 2.4.3 实验结果与分析23-27
• 2.5 本章小结27-29
• 3 埋有FBG传感器的碳纤维复合材料制备29-35
• 3.1 材料和设备29
• 3.2 成型工艺29-33
• 3.2.1 工艺参数的确定30-31
• 3.2.2 VARTM成型工艺步骤31-32
• 3.2.3 纤维体积含量测定32-33
• 3.3 埋有FBG传感器的树脂浇注体和两束碳纤维复合材料的制备33-34
• 3.4 本章小结34-35
• 4 环氧树脂浇注体的热力学性能测试35-40
• 4.1 纯环氧树脂浇注体的热力学性能测试35-38
• 4.1.1 测试过程35-36
• 4.1.2 测试结果与分析36-38
• 4.2 埋有FBG传感器的环氧树脂浇注体性能测试38-39
• 4.2.1 测试过程38
• 4.2.2 实验结果与分析38-39
• 4.3 本章小结39-40
• 5 复合材料内部热应变监测40-51
• 5.1 FBG传感器测量复合材料内部热应变的温度补偿原理40-41
• 5.2 FBG传感器测量复合材料内部热应变实验41-42
• 5.3 实验结果与分析42-50
• 5.3.1 中心波长与温度关系42-45
• 5.3.2 温度补偿前后中心波长漂移与温度关系45-48
• 5.3.3 内部热应变分析48-50
• 5.4 本章小结50-51
• 6 结论与展望51-53
• 6.1 结论51-52
• 6.2 展望52-53
• 参考文献53-56
• 攻读硕士期间发表论文56-57
• 致谢57

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7 张U，

本文编号：1010384