空心光纤埋入环氧树脂复合材料中的影响与应用研究

首次提出利用空心光纤灌注胶液的方法进行复合材料的自诊断与自修复.文中具体分析了空心光纤的传光机理,介绍了利用空心光纤进行复合材料断裂位置测量的原理、方法和实验研究.依据国家有关的复合材料测试标准对环氧树脂复合材料埋入与不埋空心光纤进行了对比实验,实验结果表明空心光纤埋入树脂基复合材料中对其性能的影响是比较小的.因此,该方法在工程结构中极有应用价值.最后,给出了正在进行的研究系统的一个应用事例.     

埋入式光纤应变传感器

埋入式光纤应变传感器是近年来随着智能复合材料的发展而发展起来的一项新技术，将传感器和致动器埋置于复合材料中，就形成了智能复合材料，而光纤传感器具有尺寸小重量轻的特点，当把它们直接埋置于复合材料中时，它们也能在恶劣的环境下工作，它们的这些特点晨常适合于制作埋入式传感器，并且能大大提高智能复合材料在航天等方面应用的潜力，本文仅对智能复合材料中的光纤应变传感器进行了探讨，介绍了几种常见的埋入式光纤应变传     

基于新型光纤智能结构的远程监控物联网系统设计

针对现有光纤智能结构自诊断、自修复系统存在的问题,提出并设计了一种基于ARM和GPRS的液芯光纤智能结构的远程监控物联网系统,系统主要包括光源、液芯光纤智能结构、光电检测模块、A/D转换模块、ARM微控制器、GPRS无线通信模块、Internet和监控中心服务器。其中液芯光纤智能结构是由特制的液芯光纤埋入复合材料中构成,采用GPRS无线通信技术,结合以S3C2440为核心处理器的ARM嵌入式技术,同时在监控中心采用自主设计的监控可视化软件直接输出结果,具有直观可靠、控制简单等优点。本文还对液芯光纤智能复合材料结构进行承载实验研究,并采用BP神经网络理论对实验数据进行分析和载荷位置判定,研究结果表明该监控系统性能稳定且效果明显,对复合材料结构载荷位置能够作出准确判断,初步实现了复合材料结构的自诊断。     

具有光纤神经系统的新颖复合材料结构的发展及展望

本文综合介绍了近年来国外迅速发展的具有光纤神经系统的新颖复合材料结构的研究成果及发展趋势。提出了埋设于复合材料内部的光纤系统将成为未来飞行器结构的“神经网络系统”而使结构成为“智能结构”等新概念。文章较详细地阐述了这种新颖结构在制造和使用过程中在应变、变形、固化、损伤、疲劳等检测方面的具体应用及发展趋势。     

碳敷层光纤在碳纤维复合材料智能结构中的应用

在碳纤维复合材料结构的固化过程中，埋入其中的光纤将承受恶劣的环境，这将使光纤的光学性能发生变化，从而影响碳纤维智能复合材料结构中光纤传感系统的性能。文中对多种光纤进行了试验研究，在碳纤维复合材料固化过程中，发现普通敷层光纤的性能发生变化，而央敷层光纤的性能不会发生变化，并对这些现象的原因进行了初步讨论，从而为在碳纤维复合材料智能结构中光纤的选择提供了一定的依据。     

模具材料对复合材料制件固化过程应变的影响分析

复合材料热压罐固化工艺过程中,制件的固化变形依旧是影响成形质量的重要原因。通过光纤光栅和热电偶相结合的方法对复合材料制件在热压罐成形工艺过程中的温度和应变进行在线监测,研究了树脂基体对制件应变的影响规律,并基于此分析了不同模具材料对制件固化过程应变和固化变形的影响。试验结果表明:树脂与模具是复合材料固化过程应变变化的主要影响因素,在升温/保温阶段,树脂的流动、热膨胀、固化反应等是应变变化的主要原因,而在降温阶段模具收缩对应变变化起主导作用;不同模具材料的刚度、与制件的结合能力以及热膨胀系数的变化会在复合材料固化过程的不同阶段对应变变化产生较大影响。本文获得了不同材质模具试验条件下复合材料制件固化过程中的应变曲线,分析了固化过程中模具对复合材料制件内部应变的影响规律,为深入分析大型复合材料构件固化变形提供了理论支撑。     

含损伤SMA增强智能复合材料的一维增量本构关系

基于对马氏体相变热流-温度曲线的唯象模拟．以及马氏体体积分数与热力势对温度偏导数之间的线性关系。提出了一种新的马氏体相变动力学模型。借助细观力学模型，研究了纤维断裂和剥离对宿主材料刚度和热膨胀系数的影响．并给出了相应的数学表达式。引入了纤维断裂损伤度、纤维剥离损伤度和界面影响系数等表征损伤程度的物理量。并最终建立了考虑这些损伤影响的形状记忆合金增强智能复合材料的一维增量本构关系。本文的结果为进一步研究智能材料结构的损伤及失效问题提供了相应的理论支持。     

以随机壁微扰辐射损耗为基础的光纤传感技术(英文)

提出并研究一种构成光纤传感网络埋入复合材料内部用于损伤探测的光纤传感技术.对光纤进行化学处 理,剥去光纤外层在纤芯表面形成无规则分布、大小不一的微粒,在光纤形成随机壁微扰区.根据随机壁微扰导致导模与辐射模的模转换引起功率损耗的特性,随机壁微扰区就可以为敏感区.本文根据平面波导随机壁微扰理论并实验研究了腐蚀时间与相对功率损耗的关系.最后给出内含光纤传感网络试件的实测结果.结果表明,本文提出的光纤传感技术可用于复合材料损伤探测,为监测飞行器飞行时的载荷及损伤结果提供一种测试方法.     

编入碳纤维编织复合材料的光纤光学性能实验研究

三维编织复合材料是当前先进复合材料领域研究的热点并已开始广泛应用于航空航天等许多领域.三维编织复合材料具有很多优点,但这种材料的性能也较复杂.文中提出一种研究三维编织复合材料性能的新方法,也即将光纤传感器多个编入编织复合材料实现编织智能复合材料,以监测三维编织复合材料的RTM工艺过程,研究其力学性能及监测其在使用过程中的健康状况.对于光纤传感器而言,光纤的光学性能的好坏同光纤传感器的性能密切相关,因此,着重通过实验提出了一种光纤编入三维编织复合材料的方法并对光纤编入材料前后及编入后随材料进行RTM固化前后的光学性能进行了测试对比研究.     

复合材料断裂的基体开裂模型

运用基体开裂模型对含有穿透裂纹的单向纤维复合材料进行了断裂分析，将理论预测结果和实验数据进行了比较。提出了决定裂纹前缘核心区域半径rc的定量公式以及确定材料临界应变能密度因子Sc的新方法。补充考虑了几个附加能量吸收过程，对应变能密度准则进行了开拓。实验试样的制备采用了预设裂纹的新方法。     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

植物纤维水泥复合材料复合机理

一年生植物纤维水泥复合材料是一种具有广阔应用前景的新型复合材料。它是以一年生植物──农作物秸杆（碎料）为增强纤维，水泥为基体（并起粘结剂作用），经特定工艺成型的复合材料。本文从复合材料力学的观点出发，对这种复合材料的复合机理，包括其增强相、基体相、界面相及其复合效果等方面进行了研究。结果表明：在添加剂的成功使用下，一年生植物纤维和水泥取得了良好的界面复合效果，其主要力学性能已达到或超过了与之相似的木质水泥刨花板。     

智能材料结构的研究进展

智能材料结构是当前国内外研究的热门课题，进展很快。它的兴起将冲击材料研究部门，并引起了结构设计部门的变革。本文主要介绍埋入传感元件、驱动元件并采用人工神经网络、图形特征识别及新型声发射系统的三种强度自诊断智能结构，埋入形状记忆合金丝的大面积强度自适应结构，以及预报材料疲劳寿命、减振降噪、无舵面机翼和光电红外隐身等智能结构的研究进展。     

加速腐蚀环境对碳纤维增强树脂基复合材料力学性能的影响

依据对典型机场环境统计分析,编制了单向顺排碳纤维增强树脂基复合材料加速腐蚀试验环境谱,在此基础上进行了该材料试件的加速腐蚀试验和不同当量腐蚀周期试件的力学性能测试试验。试验结果显示,机场环境会对碳纤维增强树脂基复合材料基体造成损伤,且材料的疲劳寿命、弯曲强度和层间剪切强度三种力学性能随着腐蚀周期的延长呈现由小到大的规律递减。     

自由曲面构件的纤维铺放路径规划

针对复合材料纤维铺放工艺及其设备控制的特点,提出了复合材料构件CAE/CAM一体化纤维铺放路径优化设计方法。通过对构件模型的有限元分析,获得构件的内部应力分布,根据主应力的大小和方向合理规划出若干基准纤维铺放路径;提出了基于等距线、等分点原理的两种算法,对基准铺放路径进行均匀密化,实现整个构件曲面的纤维铺放路径规划;讨论了铺丝宽度和铺放精度的控制策略,并给出了铺放头压辊中心控制轨迹,以满足纤维铺放机械手的控制需求。     

压电智能结构的实验研究

在复合材料表层铺设压电元件，利用压电元件能够实现力学量和电学量之间相互转化的独特性能，可将其用作传感器和驱动器，赋予材料和结构传感及动作的能力。本研究的压电材料采用锆钛酸铅压电陶瓷，基体材料采用玻璃纤维－环氧树脂复合材料，与外部信号采集和控制系统结合，构成了智能结构实验系统。本文对这一系统的损伤诊断和损伤主动控制功能进行了实验研究。该结构一方面可对冲击、过载等可能造成损伤的原因进行监测，并诊断裂缝、连接松动等损伤的产生和位置，另一方面还可自适应地驱动结构中的压电驱动器，改善结构应力状态，防止损伤的扩展。     

一种新的正交异性光弹性复合材料

本文提出了采用与国外不同的技术途径制作光弹性复合材料的方法。这种材料用防辐射玻璃纤维和环氧树脂经常温固化制成,其透明度好,光弹性效应灵敏,制作工艺简便,适于制作二维和三维复合材料光弹性模型。 光弹性复合材料的性能可以设计和预测,但实用中需要实验标定。本文给出了标定光弹性复合材料性能的方法和适用公式。     

真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后层合板拉伸破坏模拟

对玻璃纤维增强复合材料真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后层合板建立了三维有限元模型,进行了拉伸破坏模拟。发展了考虑剪切非线性的复合材料各向异性连续损伤力学模型,用于模拟母板与补片复合材料单向带失效。采用基于双线性cohesive本构的接触分析模拟了真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后形成无厚度二次固化界面。数值模拟结果与试验结果吻合较好表明所采用的模型能很好地预测整个修理结构的拉伸性能。最后,分析了整个拉伸过程中层合板斜接挖补修理结构的损伤破坏过程。     

Debonding Patch Detection in FRP-Strengthened Materials with Fiber-Optic Interferometer

The interfacial debonding in fiber-reinforced plastic(FRP)strengthened repair material will affect the bonding strength and lead to failure of the repair without warning.Unfortunately the interfacial damage is normally invisible and often in the form of a patch rather than a through-width crack.Therefore,a debonding patch detection technique based on fiber optic interferometry is proposed.A quasi-impulse loading is applied with a rubberhead hammer and the total elongation of a surface-mounted optical fiber along the length of the repair material is measured as a function of load position.When a debonding patch is present,the induced sudden slope or sign change on the plot of fiber integral strain v.s.load position will reveal the extent and the location of the debonded area.The results of the study indicate that the proposed technique is applicable for debonding patch detection in repaired members under various support conditions.