三维编织复合材料健康监测碳纳米管线嵌入模型及特征的研究
本文选题:三维编织复合材料 切入点:碳纳米管线 出处:《天津工业大学》2017年博士论文
【摘要】:论文以三维编织复合材料健康监测为研究方向,使用碳纳米管线作为传感器嵌入三维编织复合材料,建立一种新的基于碳纳米管线传感器的三维编织复合材料健康监测系统。其中,碳纳米管线和三维编织复合材料相互结合的整体模型以及碳纳米管线自身模型特征的研究成为健康监测系统中最为关键的技术环节之一。本论文阐述了碳纳米管线传感器同三维编织复合材料相结合的方法,主要包括贴附材料表面监测、轴向嵌入材料内部监测和编织嵌入材料内部监测。在贴附材料表面监测的方法中,提出"网格结构"的设计模型,根据贴附式网格结构布局和算法设计,定义网格模型的碳纳米管线状态表达式和网格模型的交点表达式,为未来碳纳米管线传感器对材料表面监测的进一步研究工作提供理论基础。在轴向嵌入材料内部监测的方法中,分别介绍了将碳纳米管线以三维五向、全五向、六向三种不同方式轴向嵌入到三维编织复合材料内部的具体方法。在分析应力源、应力波特征的基础上,提出基于"人工免疫"智能算法的传感器优化配置技术,它能提高搜索碳纳米管线传感器最优位置的收敛速度,同时较好的保持传感器对全局的覆盖率,节省传感器的轴向嵌入数量。和其它智能优化算法相比,.免疫算法在保证快速收敛的同时较好地保持了种群的多样性,能有效克服诸如"早熟"收敛陷入局部搜索的问题。在编织嵌入材料内部监测的方法中,首先,设计出一种基于"矩阵论"的预制件中碳纳米管线空间节点坐标的计算方法,依此利用C#语言开发实现了一款名为Matrix3DBraid 1.0的图形可视化计算机仿真程序,该程序具有批量计算所有纱线节点坐标的能力,同时实现全体节点坐标存储。其次,根据仿真程序MatriX3DBraid1.0输出的节点坐标,可以制作节点空间坐标列表,从而可以得到某根碳纳米管线传感器L的各个节点坐标,利用Bezier.和B样条曲线对这些节点进行三维空间拟合可以得到L的空间表达式,并对空间表达式L求定积分计算出三维编织复合材料中碳纳米管线的长度S;再次,通过试验比较三维编织复合材料中碳纳米管线空间表达式L的测量值和模拟仿真值,给出误差分析统计结果,进而验证该理论方法的有效性。通过研究碳纳米管线在三维编织复合材料健康监测系统中的嵌入模型及特征,网格结构模型、轴向分布式优化配置、编织嵌入式空间表达式L和长度S,这些都将为课题组未来进一步研究三维编织复合材料损伤源定位、损伤程度评估等科研工作奠定重要的工作基础,对继续开展基于碳纳米管线传感器的健康监测技术研究工作具有重要意义。
[Abstract]:In this paper, the health monitoring of 3D braided composites is studied, and carbon nanotubes are used as sensors to embed 3D braided composites. A new 3D braided composite material health monitoring system based on carbon nanopipeline sensor is established. The research on the integral model of carbon nanopipeline and 3D braided composite material and the characteristics of carbon nanopipeline model has become one of the most important technical links in the health monitoring system. In this paper, carbon nanotubes are described. A method of combining linear sensors with three-dimensional braided composites, It mainly includes surface monitoring of adhesive material, internal monitoring of axial embedded material and internal monitoring of woven embedded material. In the method of surface monitoring of adhesive material, the design model of "grid structure" is put forward. According to the attached grid structure layout and algorithm design, the carbon nanopipeline state expression of grid model and the intersection point expression of grid model are defined. This paper provides a theoretical basis for the further research of carbon nanopipeline sensors on the material surface monitoring. In the method of axial embedded material internal monitoring, the carbon nanopipelines are introduced in three dimensional five direction, all five direction. Based on the analysis of stress source and characteristics of stress wave, the optimal sensor configuration technology based on "artificial immune" intelligent algorithm is proposed. It can improve the convergence speed of searching the optimal position of the carbon nanopipeline sensor, while keeping the global coverage of the sensor. Save the number of axial embedding sensors. Compared with other intelligent optimization algorithms, the immune algorithm can ensure fast convergence while keeping the diversity of the population. It can effectively overcome the problem of "premature" convergence falling into local search. In the method of internal monitoring of braided embedded materials, a method of calculating the coordinates of space nodes of carbon nanopipelines in prefabricated parts based on "matrix theory" is designed. Based on this, a graphical visual computer simulation program named Matrix3DBraid 1.0 is developed by using C # language. The program has the ability to calculate the coordinates of all the yarn nodes in batches, and to store the coordinates of all the nodes at the same time. According to the node coordinates output from the simulation program MatriX3DBraid1.0, we can make a list of node space coordinates, and then we can get the coordinates of each node of a carbon nanopipeline sensor L. Using Bezier. and B-spline curves to fit these nodes in three dimensional space, the space expression of L can be obtained, and the length of carbon nanopipeline in 3D braided composite material can be calculated by calculating the integral of the space expression L. The measured values and simulation results of the space expression L of carbon nanopipelines in 3D braided composites are compared, and the statistical results of error analysis are given. By studying the embedded model and characteristics of carbon nanopipeline in 3D braided composite material health monitoring system, the mesh structure model, the axial distributed optimal configuration, the proposed method is proved to be effective. The space expression L and length S of braided embedded materials will lay an important foundation for the future research work of 3D braided composite materials, such as location of damage source, damage degree evaluation and so on. It is of great significance to continue the research work of health monitoring technology based on carbon nanopipeline sensor.
【学位授予单位】:天津工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TS106.6;TB33
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,本文编号:1675737
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