集成于碳纤维复合材料的fsFBG响应特性研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国防科技基金项目()陕西省创新能力支撑计划 科技创新团队()作者简介:常新龙()男博士教授博士生导师:.:./.集成于碳纤维复合材料的 响应特性研究常新龙孙超凡齐重阳张有宏郭 一朱雪蒙(.火箭军工程大学 导弹工程学院 西安.陕西星际荣耀空间科技有限责任公司 固体动力研发部 西安)摘要:针对航空航天碳纤维复合材料结构健康监测需求研究了飞秒激光逐点直写光纤光栅传感器()和碳纤维复合材料集成时的传感特性 在碳纤维复合材料层合板表面及层间布置 对碳纤维复合材料层合板进行静态载荷和低速冲击载荷加载实验系统分析了表面和不同层间 对载荷响应的敏感性和差异性得到了 中心波长偏移量与加载距离和加载角度的对应关系 实验表明表面粘贴的 对动静载荷的敏感度更高在动静态载荷作用下 中心波长偏移量随加载载荷的增大呈线性递增而随加载距离的增加而逐渐减小 具有较好的载荷 方向敏感特性传感器的响应灵敏度随加载夹角增大逐渐提高关键词:动静态载荷响应特性碳纤维复合材料埋入粘贴本文引用格式:常新龙孙超凡齐重阳等.集成于碳纤维复合材料的 响应特性研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):().:引言碳纤维复合材料由于具有比强度高、抗疲劳性好、耐腐蚀、热导率低及便于大规模成型等特点 在航空航天领域得到广泛应用 而在复合材料服役过程中易受集中应力、冲击载荷等环境因素的影响导致其力学性能下降 因此需对复合材料结构进行状态监测保证其服役可靠性和安全性 通过传感器与复合材料集成构建智能复合材料结构实现对自身工作状态和外界环境的实时监测该技术已成为近几年的研究热点 光纤光栅传感器()相比传统电子传感器具有多结构参数测量、抗电磁干扰以及在极高温下工作的能力 目前国内外学者已开展了许多基于 复合材料结构损伤监测的研究工作 刘文韬等将 嵌入 复合材料壳体结构涂层中通过数学模型研究了传感器在层间的应变传递规律得出了涂层弹性模量和厚度与应变传递率的关系 等将 结合在航天器结构试验件的表面检测经过超高速撞击后的应力波和残余应变进而确定受到冲击的位置 周春华等利用 构建全光纤检测系统监测出冲击时刻的响应信号并对信号进一步提取特征最终根据瞬时能量密度的差异结合能量云图识别出损伤位置 等在飞机碳纤维复合材料加筋板的表面布置 传感网络引入 指数评估了.的加筋板受到冲击时易损坏区域不可目视损伤的演化实现了对碳纤维复合材料层合加筋板内部损伤的实时量化 顾欣等将 传感器布置到复合材料加筋板上对加板板面和加筋条进行撞击选取加筋条撞击时 传感器的响应特性构建特征向量通过构建能量与撞击位置的函数实现了对加筋条撞击事件和撞击位置的识别 等将 传感器埋入到单向碳纤维复合材料中提出一种基于支持向量机()和神经网络()相结合的冲击位置识别集成算法 王春文等在试件中埋入 传感器监测 碳纤维复合材料预浸料在热固化和微波固化过程中的温度和应变变化 虽然上述文献提出很多基于 实现复合材料状态监测的方法但并未系统研究复合材料不同层间光纤传感器对动静态载荷的响应特性因此本文中选择具有更高强度、更好稳定性和耐疲劳性的 作为传感元件在碳纤维复合材料层合板的表面和层间进行布置 研究不同层间 在动静载荷作用下的敏感特性从而为基于 的复合材料结构损伤监测提供依据 检测原理当外界物理量作用于 时产生的应变会引起光栅周期和纤芯的有效折射率发生变化 通过建立反射谱的中心波长变化量与外界环境作用量之间的数学关系即可利用 对外界环境作用量进行监测 反射谱的中心波长计算表达式如下()式()中:为反射谱中心波长为光纤纤芯有效折射率 为光栅栅格周期当 受到外界环境作用时会引起 与 的改变进而导致 发生变化通过对 变化量的测量就可以实现对外界环境作用量大小的检测 中心波长变化量 在受轴向应力和环境温度作用的情况下可以用下式表示 ()()()式()中:为光纤纤芯的泊松比为纤芯的弹光系数为包层的弹光系数为纤芯材料的热膨胀系数为热光系数为温度 应变系数以上系数都是与光纤材料有关的常数 为温度变化量 为应变变化量当 受到轴向应变时光栅周期和光纤的弹光效应会产生一定的变化从而使 反射谱对应的中心波长发生变化且 所受应变与其中心波长变化量有良好的线性关系 实验过程.试验系统本实验采用山东威海光威复材生产的 单向环氧树脂基碳纤维预浸料制备复合材料采用的 由天津学森科技利用飞秒激光逐点直写技术所生产该传感器可在不显著改变复合材料结构完整性的情况下嵌入到复合材料内部复合材料共铺设 层铺层方式为 /最终尺寸为 分别在第/、/层(均为 铺层)的中心位置布置 传感器铺设常新龙等:集成于碳纤维复合材料的 响应特性研究角度与其上下 层预浸料的碳纤维同向复合材料层合板固化成型后在同一位置的上下表面对称粘贴 以研究处于不同层间 的响应特性差异命名上表面传感器为、/层间传感器为、/层间传感器为、下表面传感器为 将 个 连接至光纤光栅传感系统对反射光谱中心波长偏移信息进行调制 本实验所使用的光纤光栅传感系统为 公司的 光纤光栅传感解调仪其波长检测范围为 分辨率小于 波长测量重复精度为 扫描频率为 输入功率检测范围为 实验设置如图 所示图 实验装置示意图.实验设置.静载荷加载试验)不同加载距离以 栅区中心为原点在垂直于光栅轴线方向设置、共 个不同距离的加载点如图()所示)不同加载角度在层合板的上表面以光栅中心位置为原点、以 为半径做圆 轴向方向为 从 开始每隔 设置一个加载点共 个加载点各个加载点与光栅轴向分别呈、如图()所示图 不同距离、不同角度的加载点示意图.将上述碳纤维复合材料层合板进行 边固支通过在加载点依次放置多个 的砝码进行静态加载 为模拟集中静载作用砝码不直接接触板面而是由一个专用静载模具承载 每次放置 等待 中心波长稳定后记录数据.动载荷加载试验采用 钢球从 高度自由落下的形式对碳纤维复合材料层合板结构进行冲击实验实验中的冲击点与前述静态载荷施加的位置相同在收集到冲击信号后截取冲击前后共.的时域信号用 对其进行快速傅里叶变换得到频域信号从而分析不同加载距离和不同加载角度下 的动态响应特性 结果与讨论.静载条件下 响应特性.载荷大小对中心波长偏移量的影响由于实验过程中所施加的载荷量没有引起复合材料层合板内部损伤此时准各向同性的复合材料层合板处于线弹性阶段施加的载荷与栅区的应变量呈线性关系 随着载荷增大复合材料层合板形变不断增大并引起 的栅距增大因此同一加载点的各 中心波长变化量的绝对值随之呈线性递增 如图 所示图 中心波长变化量与载荷大小的关系.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.不同层间对中心波长偏移量的影响传感器、的中心波长随着载荷增加有减小的趋势反映出栅区的局部应变为压应变而传感器、的中心波长变化与之相反反映出栅区的局部应变为拉应变 以上现象表明在加载过程中复合材料层合板上下表面及层间的变形方式不同中间层以上受压而中间层以下受拉 并由材料应力应变关系 模型可知在静载过程中从层合板中间层到表面的应变沿厚度方向呈线性增加因此在受到相同载荷情况下埋入内部 栅区的局部应变量小于上下表面 栅区的局部应变量图 与此表现一致图 各层间 的中心波长变化量与载荷大小的关系.加载距离对中心波长偏移量的影响图 为 承受相同载荷时中心波长变化量与加载距离的关系图显示各层间 中心波长变化量的绝对值随着加载距离的增加在不断减小同时随着载荷的增大变化量绝对值的下降速度明显增加这是由于碳纤维增强相的存在使得复合材料对应力传输过程的衰弱效果明显增强随着加载点距离的增加同一载荷产生的应力在栅区处的作用越小产生的局部应变也随之变小 虽然各个加载点之间距离是相等的但由于复合材料的各向异性导致应力的衰弱随距离增加呈非线性因此 中心波长偏移量的绝对值随加载距离 的增大呈指数减小且加载载荷越大应力波衰弱效果越明显从而导致偏移量的绝对值下降越快图 中心波长变化量与加载距离的关系.加载角度对中心波长偏移量的影响图 显示在相同载荷作用下各 的中心波长变化量与加载角度的关系 可以看出:的中心波长变化量随着加载角度的增大而逐渐增大 加载角度在 以下和以上时各 中心波长变化量增加比较缓慢加载角度在 时 中心波长变化量之间的差距较大传感器 表现最为明显 由此可得出结论:随加载点加载角度的增加 的应变灵敏度随之变高经分析造成以上现象的原因是加载角度大于 时应力可分解为轴向和径向的应力分量而光栅栅区处的应变灵敏度为此处轴向和径向应变的灵敏度之和因此要大于应力只沿光栅轴向分布时的应变灵敏度同时发现相同角度及相同载荷的条件下不同层间 的响应不相同如图 所示 各加载角度下中间层以上的 中心波长变化量绝对值要大于中间层以下的且当加载点角度从 变化到 时中间层以上与中间层以下的 中心波长变化量绝对值差异逐渐变小说明随着加载点角度的增加相同载荷所引起光栅栅区沿厚度方向的局部应变差异逐渐变小常新龙等:集成于碳纤维复合材料的 响应特性研究图 中心波长变化量与加载角度的关系.图 中心波长变化量与 位置的关系.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.冲击载荷下 响应特性.加载距离对中心波长偏移量的影响图 分别对应加载距离为、的冲击点受到冲击时各个 的时频信号图其中同一距离下的上行为时域信号下行为频域信号 对比各冲击点的时域信号 个 均可以监测到复合材料层合板的冲击事件并且随着冲击点距离的增加冲击所引起的最大波长变化量逐渐减小:复合材料层合板上的冲击载荷是以应力波的形式传递随着冲击点距离增加应力波在传播中衰减越严重到达传感器处的应力波越小造成信号的幅值也就越小 分析不同位置冲击点的频域信号发现各冲击点的频域响应信号相似均集中在 和 左右只是振幅随冲击点距离的增加逐渐减小说明相同方向不同距离的冲击不影响复合材料层合板的谐振频率图 不同距离冲击下 响应信息.常新龙等:集成于碳纤维复合材料的 响应特性研究.加载角度对中心波长偏移量的影响图 表示冲击距离为 时冲击角度为、下各 的响应信号上行为时域信号下行为对应的频域信号 对比各角度冲击点的时域信号发现:可以监测到各角度下的冲击并且从 到 冲击所引起的最大中心波长变化量随着角度的增加而逐渐增大:这是因为不同角度下的应力波沿复合材料层合板传递至光栅栅区的衰减程度不同所导致冲击点与光栅轴向的夹角越小应力波衰减越严重 分析不同角度冲击点的频域信号可知:各角度冲击点的频域信号相似都响应了 及 的信号说明相同距离不同角度的冲击点不影响复合材料层合板的谐振频域但幅值随冲击点角度的增加而增大图 不同角度冲击下 响应信号.分析图、图 同一冲击点下不同 的时域信号发现:位于中间层以上的 中心波长朝着短波长方向变化而中间层以下的 与之变化相反 这与层合板受到冲击时的瞬间局部应变有关与前节中 的静载响应规律一致 同时埋入式 中心波长最大变化量的绝对值小于表面粘贴式 且 个粘贴式(或 个埋入式)中心波长变化量的绝对值相近这是由于应力波在复合材料层合板中沿厚度方向传播时有衰减越靠近层合板中间层衰减越严重 结论)通过动静加载实验可知:表面和各层间的 中心波长变化量与载荷大小呈单调递增、随加载距离的增大呈指数减小)具有良好的方向敏感特性:加载距离和载荷相兵 器 装 备 工 程 学 报:/./同时 的敏感度随加载夹角 增加而增大且动载频域显示不同角度的冲击只改变振幅不改变谐振频率)中间层到受力面之间呈现压应力其余层受拉应力表面 的响应幅值均大于层间 的响应幅值本文中只是对复合材料层合板结构进行了动静载荷作用下 的响应特性研究但实际应用中复合材料不局限于板形结构后续将对不同结构进行研究参考文献:张青常新龙张有宏等.炭纤维复合材料微波固化技术研究进展.固体火箭技术():.():.张建宇韩非江柏红等.基于显微 图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟.固体力学学报():.():.张全利曾加恒杨振等.碳纤维复合材料缺陷的超声检测及材料力学性能仿真研究.机械制造与自动化():.():.朱笑袁丽华.基于红外热成像的 复合材料低速冲击损伤表征.复合材料学报():.():.章清乐刘松平刘菲菲.大型复合材料蜂窝夹芯结构 射线数字成像自动化快速扫描检测技术.航空制造技术():.():.邵飞杨宁孙维等.基于光纤传感的航天器结构健康状态监测研究.航天器工程():.():.():.陈卓康.光纤光栅传感器发展及应用.山东工业技术():.():.常新龙刘文韬张有宏等.嵌入 复合材料壳体结构涂层中的 传感器应变传递规律.固体火箭技术():.():./().:.():.:.顾欣曾捷钟照振等.复合材料加筋板筋条撞击分布式光纤监测方法.强度与环境():.():.():.王春文常新龙胡宽等.碳纤维复合材料预浸料微波固化试验.兵器装备工程学报():常新龙等:集成于碳纤维复合材料的 响应特性研究.():.():.():.廖延彪黎敏阎春生.现代光信息传感原理.北京:清华大学出版社.:.():.李冠鹏.纤维增强复合材料本构关系分析/力学与工程应用.出版地不详:出版社不详:./.:.:.樊卓志温树文张鹏等.纤维增强复合材料本构模型研究进展.材料导报():.():.科学编辑 张云龙 博士(佳木斯大学 研究员)责任编辑 唐定国(上接第 页)肖思男吕震宙王薇.不确定性结构全局灵敏度分析方法概述.中国科学:物理学力学天文学():.():.郭庆刘永寿白雅洁等.基于 解法的输流管道防共振可靠性分析.振动与冲击():.():.():.孙春梅李琴黄志强等.基于 方法的腐蚀管道可靠性分析.油气储运():.():.科学编辑 陈跃良 博士(海军航空大学 教授)责任编辑 涂顺泽兵 器 装 备 工 程 学 报:/./