应用FBG传感器监测CFRP层合结构低速冲击的实验研究

发布时间：2019-07-14 19:41

【摘要】：碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics)结构在制造、使用和维护的过程中往往不可避免的会受到诸如工具坠落、设备碰撞等低速冲击(Low Velocity Impact)。与高速冲击造成的穿透或侵彻不同,这种低速冲击很容易在复合材料内部产生基体开裂、分层和纤维断裂等损伤,并且这些损伤往往很难用肉眼直接观察得到,但却会导致结构的强度、稳定性和使用寿命大幅下降,带来潜在的危害,尤其在飞行器的服役过程中,这些难以察觉的内部损伤更是会带来致命的危害。因此,能够准确有效地对复合材料结构的低速冲击进行监测显得尤为重要。布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Grating)传感器的直径很小(80-125μm),将其埋入到复合材料结构中对其力学性能的影响非常小,可以准确实时地反映出结构内部应变和温度的变化情况,同时其精确度高,抗干扰能力也很强,比较适用于复合材料的实时无损监测。针对CFRP结构低速冲击问题,本课题应用FBG传感器来对低速冲击损伤进行监测,同时结合有限元软件ABAQUS对层合板的低速冲击响应过程进行模拟。本文首先结合复合材料的力学基础,对复合材料的低速冲击问题进行了较为深入的研究,然后在ABAQUS中对CFRP层合板在低速冲击下的响应过程进行观察研究。分析结果表明:应力波在层合板内部是沿着纤维方向进行传播的;冲击过程中系统的能量是按照动能-内能-动能的过程进行传递的,在冲击结束后,系统的动能有一部分转化成了系统内能,这部分能量可能就会导致层合板发生损伤;冲击完成后,应力在00层和900层中的分布形式是完全不同的;通过对每层最大应力值进行比较发现层合板表面所承受的应力最大,越往中间应力越小;不同冲击速度下,冲击接触所用的时间基本上是相同的,并不会因为冲击速度的不同而产生较大的差别;随着冲击速度的增大,层内的最大应力值大致呈线性增长的趋势。由于FBG传感器本质上是一根光纤,由于其特殊的力学性能,如果在将FBG传感器埋入到CFRP层合板中不经过特殊的引出、保护处理,则很容易在埋入和脱模的过程中发生折断,使得传感器失效,无法进行信号的传输。首先对FBG传感器与CFRP层合板的相容性进行了研究。通过高温固化实验和固化后的拉伸弯曲实验来考量FBG传感器的时效性和稳定性。实验结果表明:固化过程中FBG传感器能够及时有效地对层合板内部的变化做出反应,并能稳定持续地输出波长信号;固化冷却放置之后FBG传感器依然能稳定持续地输出信号,说明传感器能在高温固化中很好地存活下来;在拉伸弯曲实验中,FBG传感器能够十分准确的对拉力和弯曲压力做出响应,表明FBG传感器能和CFRP层合板很好的相容。最后设计了应用FBG传感器对CFRP层合板低速冲击进行监测的实验。实验结果表明:埋入到3个实验件中的FBG传感器均能准确地捕捉到瞬间的冲击信号;在0.2~0.4J的冲击能量范围内,传感器的波长偏移峰值均呈现出逐渐增大的趋势,据此可以大致判断出冲击能量的大小;在多次累积冲击实验中发现,通过对FBG传感器信号的分析可以判定出层合板是否受到损伤,也能大致判断出损伤是否扩展。
文内图片：

图片说明：波音787机身上的材料分布
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图片说明：FBG传感器的原理图
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;TP212

【参考文献】