基于碳納米線的三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究.pdf

1、三維編織復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料，以其高比強(qiáng)度、高比模量、高損傷容限等優(yōu)異性能，已成為航空、航天領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料，并已在汽車、醫(yī)療、體育等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。三維復(fù)合材料具有復(fù)雜的纖維構(gòu)造，其編織工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、編織紗與基體力學(xué)性能、空隙率以及界面損傷等諸多因素，均對其結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。當(dāng)三維編織復(fù)合材料制件在應(yīng)用過程中遭受各種應(yīng)力應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷，可能引發(fā)各種嚴(yán)重事故，導(dǎo)致人和物的巨大損失和環(huán)境污染。

2、因此對三維編織復(fù)合材料制件進(jìn)行實(shí)時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是十分必要的。
　　碳納米線傳感器作為一種新型的傳感器，具有體積小、易于組建傳感器網(wǎng)絡(luò)等許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，并對三維編織復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能具有一定的提升作用，為三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了新的途徑。
　　論文圍繞基于碳納米線的三維編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)展開，重點(diǎn)研究了碳納米線傳感器用于三維編織復(fù)合材料傳感檢測等各種關(guān)鍵技術(shù)。
　　為了研究三維編織復(fù)合材料的

3、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，本文首先介紹了三維編織復(fù)合材料中的損傷模式及常見的無損檢測及在線監(jiān)測方法如基于FBG的實(shí)時檢測方法等，并提出了本文的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成及各部分之間的工作流程，同時介紹了常用的損傷識別理論方法，為后文的基于碳納米線的三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論基礎(chǔ)。
　　其次對碳納米線傳感器的制備進(jìn)行了研究，由于碳納米線的制備來源于碳納米管，因此本文從碳納米管陣列的生成方法開始進(jìn)行研究，進(jìn)而對碳納米線的后紡技術(shù)

4、進(jìn)行了一定的研究，并介紹了四種后紡技術(shù)對碳納米線性能的影響。之后從碳納米管陣列的高度等到碳納米線的紡紗成線等各方面對碳納米線的性能的影響進(jìn)行了相應(yīng)的研究，為碳納米線作為傳感器嵌入三維編織復(fù)合材料構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)提供傳感特性技術(shù)基礎(chǔ)。
　　隨后，本文對碳納米線嵌入三維編織復(fù)合材料的方法進(jìn)行了研究，課題采用三維五向四步法將碳納米線以軸向方式嵌入三維編織復(fù)合材料中，并重點(diǎn)研究了碳納米線傳感器嵌入三維編織復(fù)合材料中的優(yōu)化配置原則和配置

5、算法設(shè)計(jì)，提出了改進(jìn)型粒子群優(yōu)化算法，自適應(yīng)改變慣性權(quán)重，結(jié)合混沌搜索算法作為傳感器優(yōu)化配置方法。
　　之后，論文對嵌入碳納米線后的三維編織復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及剛度模型進(jìn)行了分析研究，建立了相應(yīng)的內(nèi)胞模型，研究了內(nèi)胞模型中碳納米線與碳纖維接觸線形狀以及體積關(guān)系;分析了三維五向四步法編入方式下內(nèi)胞模型中碳納米線和碳纖維部分的幾何位置關(guān)系，并研究了編入碳納米線傳感器的三維編織復(fù)合材料的內(nèi)胞和面胞的布爾生成過程，結(jié)合設(shè)定的邊界條件和連續(xù)

6、條件，得出基體、碳纖維和碳納米線部分及相互界面上的平衡方程。從理論上完成了單胞模型中載荷傳遞和分配的初步分析工作。對編入碳納米線傳感器方法的單胞模型運(yùn)用傾斜層板修正模型理論進(jìn)行剛度性能的研究，結(jié)果表明軸向編入碳納米線傳感器后，單胞的力學(xué)性能有所提高。
　　最后基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了基于碳納米線的三維編織復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分析，重點(diǎn)研究了嵌入三維編織復(fù)合材料中的碳納米線基于軸向拉伸應(yīng)力的應(yīng)變傳感特性及基于縱向三點(diǎn)彎曲各種應(yīng)力的

7、應(yīng)變傳感特性，并對制件中的碳納米線的溫度傳感特性采用惠斯通電橋法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究分析，得出碳納米線可以用于三維編織復(fù)合材料實(shí)時傳感檢測，為基于碳納米線的三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。之后本文采用支持向量機(jī)結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的損傷定位及損傷程度進(jìn)行了相關(guān)分析研究，結(jié)果表明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的損傷程度最大誤差為19.7％，而采用回歸支持向量機(jī)識別的損傷程度最大誤差為8.07％。另外，本文對基于碳納米線的