基于光纤光栅传感器的复合材料气瓶应变检测

针对复合材料气瓶应变检测的需求,提出了一种光纤光栅传感器植入碳纤维缠绕铝合金内衬的复合材料气瓶的方法,首先在室温下将光纤光栅传感器粘接在经过喷砂处理的铝合金内衬外表面,然后对粘接了光纤光栅传感器的铝合金内衬进行高温老炼,最后进行碳纤维缠绕和固化。开展了8只光纤光栅应变传感器植入复合材料气瓶的试验,其中6只传感器在复合材料气瓶150 ℃/1.5 h固化后保持存活,实现了复合材料气瓶固化、水压疲劳、高温试验等过程中的应变检测。结果表明,所提出的方法可以减小内衬的粗糙外表面导致的光纤光栅信号衰减,验证了光纤光栅传感器植入复合材料气瓶进行应变检测的可行性。     

光纤布拉格光栅监测碳纤维复合材料固化成型过程

碳纤维复合材料固化成型时,温度和内应力对成型质量的影响巨大.鉴于碳纤维复合材料厚度通常为几毫米,传统的热电偶和电阻应变片等温度应变传感器由于体积较大,无法实现嵌入式监测.为了获得成型过程中材料内部实时的温度和应变,采用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器进行监测.试验中使用两个FBG传感器,一个作为温度传感器,另一个作为应变传感器,内嵌于碳纤维预浸料铺层之中,分别用于监测碳纤维复合材料固化过程中内部的温度和应变等参量.试验结果表明,采用两个光纤光栅传感器分别用来监测碳纤维复合材料固化过程中内部温度和应变的变化是可行的.     

表面粘贴光纤光栅传感器的应变传递分析

光纤光栅传感器粘贴于航空结构的基体表面后,基体结构的真实应变与光纤光栅传感器测得的应变之间存在一个传递系数。本文根据应用环境,建立了＂基体结构—胶粘体—光纤传感器＂的应变传递简化模型,推导了裸光纤光栅传感器测得的应变与结构基体实际应变的比值,即应变传递率,并对影响传递率的各种参数进行分析和模拟,根据实际条件得到了粘贴的最佳参数。     

布拉格光栅植入角度对在复合材料中传感检测特性影响

植入到复合材料内部的布拉格光栅可用于监测复合材料内部应力应变及温度变化,但是现有研究里对于光栅植入过程中对光栅传感检测特性造成的影响却未见报道。在植入过程中,植入光栅与碳纤维存在的夹角将会产生内应力,这会对光栅传感检测效果产生影响。为了研究其影响规律,通过将光栅植入到准各向同性复合材料的不同层中,研究光纤与相邻预浸带中碳纤维之间的夹角对温度与应力检测特性影响。研究结果表明:光栅植入角度会对其温度和应变传感检测特性造成较大影响,当光栅与相邻预浸带碳纤维存在夹角时,光栅拉伸应变测量值与应变片测量值出现偏差,发生啁啾现象;同时光栅与相邻预浸带碳纤维的夹角越大,光栅温度检测曲线线性拟合度越差。     

基于光纤光栅传感的复合材料蒙皮结构修补监测研究

复合材料结构粘接修补是一项被广泛应用的工程技术。采用光纤光栅对复合材料蒙皮结构的损伤和粘接修补结构的全过程进行了实时监测,通过理论分析与试验相结合,发现光纤光栅传感器可对结构损伤进行识别,可对修补结构进行监测,并可评估修补结构的性能。基于光纤光栅传感的修补结构监测对飞机结构的修补评估、保障安全具有实际的工程价值。     

基于光纤光栅传感器内埋的复合材料加筋板冲击位置识别

光纤光栅传感器是实现复合材料内部结构健康监测的最佳选择,可实现对复合材料冲击载荷位置的实时识别,锁定损伤区域,视情检测,提高效率,减小安全隐患.将光纤光栅传感器在复合材料层合板预浸料阶段埋入,通过热压罐固化方式成型为一体化结构,研究传感器对层合板不同位置载荷冲击的识别技术;并将12支光纤光栅传感器内埋于航空飞机典型复合材料加筋板结构,通过互相关函数算法成功实现了小尺寸加筋板结构的冲击定位判别.     

压电-光纤综合结构健康监测系统的研究及验证

以某型无人机机翼盒段试验件为对象,进行了压电-光纤综合结构健康监测系统的研究。自主研发了国内首台集成压电多通道扫查系统,可实现多达552个激励 传感通道的损伤自动扫查,并同光纤光栅解调系统组合,自行开发了集成健康监测系统软件,构成了压电-光纤综合结构健康监测系统。基于该系统进行了大型碳纤维复合材料盒段试验件弯扭强度实验过程中的结构健康监测功能验证研究,监测结构尺寸达4000 m×1200 m×0.265 m,监测对象包括结构的应变场分布及抽钉失效。系统监测了全盒段上下壁板共34点的应变场分布情况,应变场监测准确;监测系统不仅对结构抽钉的缺失实现了准确监测,而且可以分辨所实验结构的4种抽钉缺失程度。     

外贴光栅监测带双缺口碳纤维增强复合材料拉伸损伤

布拉格光栅对沿其纵向的非均匀应变分布十分敏感,这种影响会反映在传感器位置的反射光谱光强中.本文提出了一种利用外贴光栅监测带双缺口碳纤维复合材料损伤的新技术.实验结果表明,当带双缺口碳纤维复合材料损伤产生及扩展时,光栅的反射光强在某些波长变化明显,反射光谱的突变点与复合材料静态拉伸应变—光栅中心波长曲线突变点一一对应.该方法可用于预测复合材料的损伤状态.     

光纤布拉格光栅应变传感特性研究

利用铝合金标准梁和复合材料标准梁的纯弯实验,标定了光纤布拉格光栅（FBG）的应变灵敏度系数,与理论灵敏度系数进行了对比,检验了布拉格光栅中心波长的变化与应变的线性关系及重复性。研究结果表明：布拉格光栅监测金属和复合材料的应变具有良好的重复性和线性关系,可以用于结构关键部位的应变监测。     

取向非连续碳纤维复合材料制备与性能

将传统的连续纤维预浸料通过机械高频切割的方法制成取向非连续碳纤维预浸料,并固化得到取向非连续复合材料,研究复合材料的内部质量与力学性能,并与连续碳纤维复合材料和随机取向碳纤维复合材料的相关力学性能进行对比分析。结果表明:与连续纤维复合材料相比,纤维被切断后制得的取向非连续碳纤维复合材料内部质量良好,并保持了较好的力学性能,0°拉伸强度保持率在63%以上,弹性模量基本保持不变,0°弯曲强度保持率在85%以上,弹性模量保持率在78%以上,且远远优于随机取向碳纤维复合材料的力学性能。     

基于光纤传感器的SRM界面黏接应力监测

界面黏接应力是SRM(固体火箭发动机)药柱结构完整性重要方面,也是健康监测的重要参数。为实现对黏接应力实时在线监测,设计了一种聚合物封装的FBG(光纤布拉格光栅)传感器,将其埋入HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)推进剂/衬层界面黏接试件中。通过对试件在受到拉应力作用下FBG传感器反射光谱的模拟和应力响应测试试验研究了FBG传感器对应力响应规律。结果表明:FBG传感器中心波长随着试件的拉应力增大而减小,线性度较好,且传感器具有较高的灵敏度和稳定性。试件黏接性能测试试验中,FBG传感器性能保持完好,黏接试件强度满足技术指标,验证了传感器封装和埋入方式的可行性。      

基于FBG 传感器的复合材料固化监测

温度和内应力是影响复合材料固化过程和结构性能的重要因素,将双光栅的FBG传感器埋入到玻璃纤维/环氧树脂预浸层合板结构中,监测热压固化过程中温度、黏度和内应力变化,并简要分析了固化后的残余应变。实验证明FBG传感器可有效监测复合材料结构固化过程的温度、黏度和内应力,能够作为智能固化控制依据,且固化结束之后,相同的传感器可以被用于提供结构使用过程中产生的温度/机械变化的信息。     

复合材料内传感光纤的埋置技术

对传感光纤在复合材料内的埋置技术进行了详细的实验研究,包括复合材料内光纤埋置工艺与布局原则,光纤内埋置部分在热压时的保护,光纤的引出及引出接头的保护,埋入光纤对材料性能的影响,复合材料内应变与损作的检测灵敏度与光纤阵列矶局的关系等,并成功地将传感光纤埋置入教－１１飞机的碳纤维／环氧复合材料垂直尾翼试件内。     

光电缆的分布式温度传感网络

提出增加一根光纤光栅与光电缆绕制在一起，用于监测电缆中的实时温度。采朋有限元分析方法，建立了光电缆温度场模型。使用可调谐脉冲激光作为系统光源，在一条光纤上刻制多个相同中心波长的布拉格光栅，即采用全同光栅作为系统的温度传感器，当光电缆线路中温度发生异常时，反射回来的光栅中心波长发生偏移，通过检测反射光中心波长发生的偏移量可以确定光栅温度变化的大小。不同位置的光栅返回光信号所需的时间不同，通过检测和计算光返回的不同时间，可以计算出发生温度变化的光栅位置。实验结果表明，光栅的温度敏感性可以达到11．4pm／℃，光栅的测量温度与实际温度的误差在3％范围内。     

可变弯度机翼后缘形态重构光纤监测技术

可变弯度机翼是一种变翼型变体飞行器，在飞行过程中可根据不同的飞行环境自适应调整机翼弯度来提高飞行效率，从而适应复杂多样的任务环境。针对可变弯度机翼后缘形态与偏转角度实时监测需求，研究了一种基于光纤布拉格光栅传感器的机翼后缘形态重构方法。采用数值仿真方法分析可变弯度机翼后缘的形态变化特征，得到可变弯度机翼后缘偏转位移与偏转角度之间关系。给出光纤布拉格光栅传感器布局形式，构建了基于应变和曲率信息递推位移重构原理的机翼后缘形态和偏转角度监测系统。基于光纤布拉格光栅传感器的机翼后缘形态重构相对误差约为6.39%，偏转角度辨识相对误差约为7.47%。研究结果表明，所提方法能够为可变弯度机翼后缘形态感知、姿态自适应调整以及气动外形优化提供技术支撑。     

RTM工艺成型复合材料树脂固化过程残余应变监测研究

提出了RTM工艺树脂固化过程残余应变布拉格光栅传感器检测新方法。通过光纤光栅波长偏移与温度和固化时间之间的关系测试,得到了树脂固化过程中残余应变的变化历程,成功实现了RTM工艺树脂固化过程中残余应变的在线监测。实验结果表明,在降温过程中,残余应变的变化与温度的变化呈线性关系,这为复合材料层合板的残余应力分析提供了实验依据。     

光纤埋入对复合材料刚度的影响

采用国内常用的复合材料,制作两等同对比试件,用全息干涉计量术,研究光纤埋入对复合材料刚度性能的影响。给出了实验结果及分析,实验结果表明,光纤埋入提高了复合材料的刚度,这一研究对光纤复合材料结构局部或全部取代飞行器复合材料结构,有重要的意义。     

纤维增强基于α-BPDA 聚酰亚胺复合材料性能

为了考察基于α-BPDA聚酰亚胺复合材料的高温性能,制备了纤维增强复合材料,进行了高温力学和热物理性能的测试。研究结果表明纤维增强复合材料的T5d分解温度为565℃;Tg超过471℃;在450℃下的弯曲强度保持率大于42%,弯曲模量保持率大于55%,短梁剪切强度保持率超过44%;400℃空气热老化50 h后碳纤维复合材料的弯曲强度保持率66%,弯曲模量保持率为95%;300、500℃的石英增强复合材料的热导率分别为0.503和0.657 W/(m.K)。     

采用光纤作为传感神经的复合材料机敏结构微观组织研究

 在复合材料构件中埋入光纤传感器形成一种光纤复合材料机敏结构可以实现对构件的自检测和自诊断。研究埋入传感光纤后的碳/环氧树脂基复合材料的微观组织,分析光纤与树脂基体的融合状况以及对复合材料结构的影响。