復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是指一種實時在線的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況做出及時診斷，增加結(jié)構(gòu)服役過程中的可靠性，提高服役壽命，同時降低維護(hù)費用，為復(fù)合材料的安全服役提供了一種有效的評價方法。 本文采用光纖布拉格光柵傳感技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)服役期間的在線健康監(jiān)測，獲得了復(fù)合材料殼體在各個階段的剛度衰減歷程。圍繞著這一主題，本文開展了以下幾方面的工作： 1.研究了光纖布拉格光柵在低溫環(huán)境和高溫環(huán)境下的應(yīng)變和溫度傳

2、感性能。在-150℃～550℃范圍內(nèi)，光柵的波長變化量與溫度是非線性關(guān)系；在此溫度范圍內(nèi)的任一恒定溫度時，0～6000με的應(yīng)變范圍內(nèi)，光柵的布拉格反射波長與其縱向應(yīng)變表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系；應(yīng)變靈敏度和交叉靈敏度是溫度的函數(shù)，溫度越低，應(yīng)變靈敏度系數(shù)越大，交叉影響越顯著。 2.從理論和實驗兩個方面分析了布拉格光柵型氫傳感器、懸臂梁型氫傳感器和光強型氫傳感器的工作原理和響應(yīng)特性，在0.5～4％的氫濃度范圍內(nèi)和0～90℃的溫度范圍內(nèi)

3、研究三種傳感器的氫敏感性，確定了對傳感器響應(yīng)性能影響較大的因素：環(huán)境溫度，鈀薄膜與光纖的厚度比或鈀薄膜與懸臂梁的厚度比，懸臂梁的長度。同時，考慮了環(huán)境對傳感器氫敏感性的影響，長期放置在空氣中將會降低傳感器的氫敏感性。理論預(yù)測的由氫吸附所引起的最大波長漂移量與實驗結(jié)果比較一致。研究了鈀薄膜與襯底材料的濺射制備工藝，利用襯底層材料解決了鈀薄膜與基底間界面結(jié)合力不足的問題。 3.采用有限元法對帶有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料殼體進(jìn)行分析計算，得

4、出了結(jié)構(gòu)在不同壓力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變分布與損傷的特點，據(jù)之設(shè)計與優(yōu)化了健康監(jiān)測的目標(biāo)與方案。 4.利用布拉格光柵傳感器、聲發(fā)射傳感與傳統(tǒng)的應(yīng)變?nèi)N監(jiān)測手段，監(jiān)測了復(fù)合材料殼體在服役過程中的循環(huán)應(yīng)變變化與損傷發(fā)展演化規(guī)律；以復(fù)合材料損傷機理和剩余剛度衰減模型為基礎(chǔ)，獲得了復(fù)合材料殼體在各個階段的剛度衰減歷程，實現(xiàn)了殼體服役期間的在線健康監(jiān)測。在研究過程中發(fā)現(xiàn)了光纖光柵的一些應(yīng)用特點：光纖光柵的抗疲勞性能好，能夠精確測得加/卸載過程中