復(fù)合材料FBG傳感器的設(shè)計(jì)理論與工藝研究.pdf

1、與金屬材料相比，先進(jìn)的復(fù)合材料更能抗疲勞、重量更輕、強(qiáng)度重量比更好，而且使用壽命長，能夠制作復(fù)雜的形狀，抗腐蝕，使用先進(jìn)的復(fù)合材料制造重大工程結(jié)構(gòu)和裝備(如航空航天結(jié)構(gòu))是一個(gè)必然的趨勢(shì)。 國內(nèi)外的研究和工程應(yīng)用表明，在復(fù)合材料服役工作期間，在拉壓、沖擊或疲勞等載荷作用下，復(fù)合材料極易發(fā)生損傷和破壞，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取相應(yīng)的措施將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，甚至出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。因此研究開發(fā)滿足復(fù)合材料工程結(jié)構(gòu)要求的傳感元件，

2、發(fā)展新型光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是從根本上實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的核心工作之一。 本文在總結(jié)國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從基礎(chǔ)理論、基本實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用上研究了光纖光柵復(fù)合材料傳感器的設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用技術(shù)，從材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等方面探討了用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測的光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)理論、制備技術(shù)和工程應(yīng)用技術(shù)，目的是研制出光纖光柵復(fù)合材料應(yīng)變傳感器及其所構(gòu)成的安全監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)在重大工程建設(shè)中的應(yīng)用。本文的主要內(nèi)容包括： 一

3、、從傳感用光纖光柵的要求出發(fā)，對(duì)光纖光柵的傳輸理論和基本傳感特性進(jìn)行了理論推證，分析了復(fù)合材料中光纖光柵的傳感機(jī)理；從滿足復(fù)合材料監(jiān)測的要求出發(fā)，研究了復(fù)合材料的強(qiáng)度理論和設(shè)計(jì)理論、以及相關(guān)復(fù)合材料的成型工藝；總結(jié)出光纖光柵復(fù)合材料傳感器的基本設(shè)計(jì)路線。 二、基于復(fù)合材料的強(qiáng)度理論和應(yīng)力波傳輸理論，按照復(fù)合材料傳感器的基本設(shè)計(jì)路線，從復(fù)合材料/傳感器/結(jié)構(gòu)的相容性出發(fā)，通過對(duì)光纖光柵/傳感器/待測界面應(yīng)變傳遞特性的理論研究和分析

4、，以光纖光柵為傳感基元，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為對(duì)象，進(jìn)行了系列復(fù)合材料傳感器的設(shè)計(jì)、制作、性能試驗(yàn)，并優(yōu)化分析，提出了基于應(yīng)變傳遞效率的光纖光柵復(fù)合材料傳感器的基本設(shè)計(jì)理論。 三、研究了光纖復(fù)合材料傳感器的應(yīng)變界面?zhèn)鬟f機(jī)理和誤差修正，推導(dǎo)光纖傳感器的應(yīng)變多層界面?zhèn)鬟f和誤差修正公式，利用理論和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)自行研制的復(fù)合材料封裝的光纖Bragg光柵傳感器進(jìn)行應(yīng)變傳感誤差分析和修正，為光纖光柵傳感器在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用提供監(jiān)測結(jié)果合理修正

5、的依據(jù)。 四、從滿足傳感器/復(fù)合材料/結(jié)構(gòu)的相容性出發(fā)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料封裝的光纖Bragg光柵傳感器進(jìn)行了力學(xué)、傳感性能試驗(yàn)。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，按照本文提出的傳感器基本設(shè)計(jì)理論和相關(guān)的制作、封裝工藝，傳感器的埋入對(duì)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能無顯著影響，研制的傳感器具有很好適應(yīng)性、穩(wěn)定性和可靠性。傳感性能試驗(yàn)結(jié)果表明研制的傳感器具有較好的線性度和重復(fù)性，具有工程應(yīng)用價(jià)值。五、將碳纖維復(fù)合材料光纖光柵傳感器用于某長江大橋的結(jié)構(gòu)加