本文關(guān)鍵詞：基于光纖Bragg光柵傳感器的碳纖維復合材料內(nèi)部熱應變場監(jiān)測

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【摘要】：碳纖維增強復合材料具有比強度高、比剛度大、抗疲勞性能好和耐久性強等優(yōu)點,已廣泛用于汽車、輪船、航空航天等領(lǐng)域。然而,由于長時間受外部環(huán)境影響,復合材料結(jié)構(gòu)難免會出現(xiàn)損傷或裂紋。高效無損檢測技術(shù)對復合材料結(jié)構(gòu)損傷進行長時間連續(xù)實時監(jiān)測意義重大。光纖傳感技術(shù)具有尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高等優(yōu)點,是未來復合材料監(jiān)測的熱門方法。光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器作為光纖傳感器的一種,除了具備傳統(tǒng)光纖傳感器的特點外,還具有很強的抗電磁干擾能力,并且抗光強波動,不受光波偏振態(tài)變化、光纖連接及耦合損耗的影響。將FBG傳感器預埋于復合材料結(jié)構(gòu)中,可以實現(xiàn)復合材料的在線實時健康監(jiān)測。本文將FBG傳感器分別埋入環(huán)氧樹脂澆注體、兩束碳纖維、碳纖維/環(huán)氧樹脂單向板和碳纖維/環(huán)氧樹脂平紋機織層壓復合材料中,同時以一根自由態(tài)FBG傳感器作為參考,進行溫度補償,采用SM125型光纖光柵解調(diào)儀測試四種材料在20~100℃溫度范圍內(nèi)部熱應變,分析四種材料在僅受溫度載荷作用下內(nèi)部熱應變變化特征。研究方法和結(jié)果如下:(1)FBG傳感器溫度標定:光纖Bragg光柵中心波長與溫度呈良好的線性關(guān)系,且重復性較好。(2)采用DMA對環(huán)氧樹脂基體進行動態(tài)熱力學測試。結(jié)果表明,高溫對環(huán)氧樹脂的力學性能影響顯著,尤其在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時,剛度急劇下降,粘性增加明顯;此外,短時間內(nèi)的加熱不會影響復合材料的測試結(jié)果。(3)對埋有FBG傳感器的環(huán)氧樹脂澆注體進行性能測試。結(jié)果表明,埋入其中的FBG傳感器不僅可以感知外界溫度變化對環(huán)氧樹脂澆注體內(nèi)部熱力學性能的影響,而且可以準確感知環(huán)氧樹脂澆注體內(nèi)部產(chǎn)生的熱應力變化量。(4)參考FBG傳感器以及埋入環(huán)氧樹脂澆注體、兩束碳纖維復合材料、碳纖維/環(huán)氧樹脂單向板和碳纖維/環(huán)氧樹脂平紋機織層壓復合材料四種材料內(nèi)FBG傳感器的中心波長受溫度變化影響。中心波長均隨溫度升高呈線性增加趨勢,且擬合程度均較好,符合預期估計。(5)四種材料內(nèi)FBG傳感器在溫度補償前后中心波長漂移量也受溫度影響,溫度補償前后四種材料中心波長漂移量均存在誤差,為保證實驗結(jié)果準確性,必須對埋入材料內(nèi)的FBG傳感器進行溫度補償。(6)熱應變與材料結(jié)構(gòu)關(guān)系:詳細分析四種材料內(nèi)部熱應變,內(nèi)部熱應變均隨溫度升高而變大;在同一溫度點,兩束碳纖維中的熱應變最大,環(huán)氧樹脂澆注體中的熱應變次之,其次是平紋機織層壓復合材料,最后是單向板。
【關(guān)鍵詞】：碳纖維/環(huán)氧復合材料 FBG傳感器 溫度補償 熱應變
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB33;TP212
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 緒論11-18
• 1.1 光纖光柵傳感技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展11-12
• 1.2 光纖智能結(jié)構(gòu)復合材料12-13
• 1.3 基于FBG傳感器的復合材料國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-17
• 1.3.1 固化監(jiān)測13-14
• 1.3.2 無損檢測14-16
• 1.3.3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測16-17
• 1.4 研究中存在的問題17
• 1.5 本文研究內(nèi)容17-18
• 2 FBG傳感器傳感原理及溫度標定18-29
• 2.1 基本原理18-19
• 2.2 光纖Bragg光柵的溫度傳感原理19-20
• 2.3 光纖Bragg光柵的應變傳感原理20
• 2.4 FBG傳感器的溫度標定20-27
• 2.4.1 Enlight軟件調(diào)試21
• 2.4.2 實驗儀器與步驟21-23
• 2.4.3 實驗結(jié)果與分析23-27
• 2.5 本章小結(jié)27-29
• 3 埋有FBG傳感器的碳纖維復合材料制備29-35
• 3.1 材料和設(shè)備29
• 3.2 成型工藝29-33
• 3.2.1 工藝參數(shù)的確定30-31
• 3.2.2 VARTM成型工藝步驟31-32
• 3.2.3 纖維體積含量測定32-33
• 3.3 埋有FBG傳感器的樹脂澆注體和兩束碳纖維復合材料的制備33-34
• 3.4 本章小結(jié)34-35
• 4 環(huán)氧樹脂澆注體的熱力學性能測試35-40
• 4.1 純環(huán)氧樹脂澆注體的熱力學性能測試35-38
• 4.1.1 測試過程35-36
• 4.1.2 測試結(jié)果與分析36-38
• 4.2 埋有FBG傳感器的環(huán)氧樹脂澆注體性能測試38-39
• 4.2.1 測試過程38
• 4.2.2 實驗結(jié)果與分析38-39
• 4.3 本章小結(jié)39-40
• 5 復合材料內(nèi)部熱應變監(jiān)測40-51
• 5.1 FBG傳感器測量復合材料內(nèi)部熱應變的溫度補償原理40-41
• 5.2 FBG傳感器測量復合材料內(nèi)部熱應變實驗41-42
• 5.3 實驗結(jié)果與分析42-50
• 5.3.1 中心波長與溫度關(guān)系42-45
• 5.3.2 溫度補償前后中心波長漂移與溫度關(guān)系45-48
• 5.3.3 內(nèi)部熱應變分析48-50
• 5.4 本章小結(jié)50-51
• 6 結(jié)論與展望51-53
• 6.1 結(jié)論51-52
• 6.2 展望52-53
• 參考文獻53-56
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文56-57
• 致謝57

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