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。     

压阻式加速度传感器封装应力隔离结构分析

测试特性的温度漂移是压阻式加速度传感器研发中的固有问题，与器件制造的多个环节相关，是多因素共同作用的结果。封装应力的隔离是消减传感器特性温度漂移的重要手段之一。为详细分析封装应力隔离结构的引入效果及其对传感器测试特性的影响，以传统双桥式敏感结构为基础，采用有限元方法分析了封装应力隔离结构对传感器附加干扰载荷抵抗力的提升作用，并分析了从其引入后对传感器敏感应力和结构固有频率的影响。分析结果表明，引入封装应力隔离结构可有效降低外部干扰应力对传感器敏感结构的影响，同时也会改变结构固有频率在内的传感器测试特性。因而，当封装应力隔离结构应用于高频型加速度传感器时，需通过优化结构质量分布、采用横向敏感结构等方法对提升结构自身固有频率及实现敏感方向与隔离变形方向解耦等问题进行进一步优化。     

三元乙丙橡胶薄膜黏接界面温度相关性力学性能

采用双悬臂夹层梁(DCSB)试件对三元乙丙橡胶(EPDM)薄膜黏接界面Ⅰ型断裂的温度相关性进行了研究;采用线弹性断裂力学(LEFM)方法获取了黏接界面断裂能,将其与单轴拉伸所得内聚强度作为双线性内聚力模型(CZM)参数,对不同温度条件下双悬臂夹层梁试件的Ⅰ型断裂行为进行了数值仿真.结果表明:仿真与实验曲线偏差较大,偏差出现的原因主要是未经修正的线弹性断裂力学方法所求断裂能存在较大的误差,需对其进行修正.调整模型参数使仿真曲线与实验曲线重合,获取了黏接界面的准确力学性能参数,采用此参数得到的仿真结果与实验结果具有较高的吻合度,证明了模型的可适用性.     

黏接界面试件拉伸变形破坏过程的数字散斑相关方法分析

对黏接界面试件拉伸变形破坏过程进行了观察,通过编制数字散斑相关方法(DSCM)处理图像,提取得到试件表面随着载荷变化而变化的位移场和应变场及其演化过程.结果表明:带预制脱黏黏接界面试件在拉伸过程中,由于预制脱黏尖端附近产生应变集中将产生起裂.DSCM能较好地应用于黏接界面试件表面的变形和破坏分析中,定量测量了界面变形场,并与试验结果相吻合.     

钛合金线性摩擦焊残余应力测试

采用X射线衍射法对钛合金线性摩擦焊试件的表面残余应力进行了测试。结果表明线性摩擦焊焊缝中心X、Y两个方向均为拉应力,Y向应力值明显大于X向,焊缝热影响区为压应力,由焊缝向外应力逐渐趋向于0。经真空热处理后,试件各区域应力值都有不同程度的降低。从整体来看,热处理后试件表面残余应力趋于均匀化。     

滚压钛合金导管振动疲劳特性分析

按照振动疲劳试验方法和失效准则进行了滚压连接形式的钛合金导管振动疲劳极限寿命测试,利用激光位移传感器测试自由端位移,用电阻应变计测定了试件根部的应变,根据位移和应变响应谱确定试件第一阶频率,并进行定频振动疲劳极限测试.预试验发现,试件第一阶响应频率随载荷增加发生明显下降(超过1％).为满足产品定寿要求,采用递进式扫频试验,消除滚压试件的连接间隙,直至试件频率响应稳定,再进行定频振动疲劳试验.通过此次测试得到滚压连接的钛合金导管在2× 10 7循环基数,可靠度为95％时的振动疲劳极限为115MPa.     

MEMS惯性器件低应力封装过渡层研究

封装应力是影响MEMS惯性器件输出性能的主要因素之一，封装应力是由于封装过程中封装对象间材料热特性不匹配所引起的。封装应力除了受封装对象本身的材料性能影响外，还与芯片及基底间的过渡层形式有关。不同的过渡层形式不仅会影响封装应力的峰值，还会对应力的分布情况产生影响。为了研究不同形式的过渡层对三层结构MEMS惯性器件芯片封装应力的影响，首先利用COMSOL有限元仿真分析软件简要地分析了不同材料参数对封装应力的影响，并进一步研究了常见封装形式以及不同封装结构的应力分布规律。结果表明，不同的粘接材料、封装形式和封装结构都会引起封装应力的变化。     

热障涂层的界面形貌对TGO层生长行为的作用机制

通过对陶瓷层/粘接层界面应力和热生长氧化物(thermally grown oxides,TGO)层的生长规律分析,研究涂层界面凸起对TGO生长行为的作用机制。结果表明:TGO在陶瓷层/粘接层界面凸起区域的生长速率高于其他区域;由ANSYS有限元软件应力分析可知,随着界面粗糙度的增加(10μm增至20μm),涂层的界面应力增加(185 MPa增到406 MPa);TGO层的厚度增加(1.6μm增至9.3μm)同样会使界面应力增加(142 MPa增大到574 MPa);此外,在高温氧化过程中,陶瓷层/粘接层界面凸起区域主要表现为拉应力,凹陷区域为压应力;拉应力能够促进TGO层的快速生长,压应力则会抑制TGO的生长速率;在保证涂层有效结合强度的前提下,降低粘接层的表面粗糙度,能够有利于降低涂层的界面应力以及减缓TGO的生长速率,从而提高热障涂层高温稳定性。     

应用于智能结构的光纤传感新技术研究

介绍了研制成功的几种适合于埋入复合材料结构内的光纤应变传感器,并将所研制的新型光纤传感器在载荷自诊断智能结构、复合材料梁振动试件上进行了试验,效果良好。     

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.     

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。     

固体推进剂双向拉伸试件优化设计及试验

基于Kelly提出的十字形试件,设计了一种新型固体推进剂双向拉伸试件。利用ANSYS有限元软件对试件双向加载过程试验区中引起的应力应变的数值模拟,实现了十字形试件的优化设计,经过优化的试件在满足双轴试验要求方面有了明显的改进。通过对丁羟复合固体推进剂试件双向加载力学行为试验研究,获得不同拉伸速率双向拉伸应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,固体推进剂断裂延伸率的双向弱化效应很明显,双向加载比例为等双拉状态时,其双向断裂延伸率比单向断裂延伸率降低37.5%。     

局部拉弯应力对民机蒙皮2024-T3铝合金剥蚀行为的影响

 根据弯梁法自制简易加载装置,结合电化学阻抗谱(EIS)测试方法,研究了民机蒙皮2024-T3铝合金在局部拉弯应力作用下浸泡于剥落腐蚀(EXCO)溶液中的剥蚀行为。结果表明,合金在发生剥蚀时,EIS中将出现2个时间常数。2024-T3铝合金加载试样的EIS在12 h时出现2个时间常数,而未加载试样的EIS在12~24 h之间才出现2个时间常数,且通过对比剥蚀过程中2种试样EIS的拟合数据,说明局部拉弯应力对2024-T3铝合金剥蚀的发生及发展具有促进作用。     

Biaxial tensile behavior of Ti-6Al-4V under proportional loading

The biaxial tensile behavior of isotropic Ti-6Al-4 V is characterized in this paper. A novel cruciform specimen was designed and optimized to achieve uniform stress and strain distribution within the gauge area. Biaxial tensile tests were conducted at three different loading ratios by the biaxial testing machine. The Digital Image Correlation (DIC) technique was applied to determine strain distribution, and a high-speed camera was employed to record the fracture process. An Inverse Analysis (IA) approach with a combined experimental and numerical method was proposed to determine the true stresses at the gauge section of the specimen during biaxial tensile tests. The results indicate that the initial yield locus can be described by the Cazacu criterion accurately, whereas the Mises criterion can predict better the strengthening behavior of Ti-6Al-4 V in the first quadrant in the principal stress space.     

某涡扇发动机高压涡轮盘螺栓孔低循环疲劳模拟件设计

以拉伸应变能寿命预测模型为理论基础,提出了低循环疲劳模拟试验件(简称模拟件)设计的基本准则。针对某涡扇发动机高压涡轮盘螺栓孔部位进行了模拟件优化设计,设计时综合考虑了试验器能力、螺纹连接强度和所需毛坯盘数量等限制因素。优化目标为模拟件与螺栓孔虚拟裂纹0.8mm内第一主应力和第一主应变分布一致,以及最大应力点第二主应力与第一主应力比值一致。对设计结果进行了弹塑性校核。采用该模拟件构型进行了试验研究,由模拟件试验数据得到的安全寿命和轮盘试验给出的安全寿命的差距为4.48%。      

减涡器破裂转速预测方法及试验验证

采用数值分析同试验相结合的方法研究了减涡器破裂转速问题。根据减涡器支撑环孔边的应力状态，设计了支撑环结构的模拟试验件，开展了单调拉伸载荷下的破坏试验，得到了体现结构应力特征的破坏参数。进而基于有限元方法，将模拟试验件的破坏参数引入减涡器支撑环破裂转速预测中，并对比了不同破裂准则对破裂转速预测结果的影响。分析表明:所设计的模拟试验件与减涡器支撑环的应力梯度吻合较好，可准确描述结构应力特征；局部塑性法和基于材料强度的方法预测破裂转速时结果更为保守，分别比平均应力法的预测值低15%和23%，对此类结构的破裂分析具有工程参考价值。      

Crack monitoring method based on Cu coating sensor and electrical potential technique for metal structure

Advanced crack monitoring technique is the cornerstone of aircraft structural health monitoring.To achieve real-time crack monitoring of aircraft metal structures in the course of service,a new crack monitoring method is proposed based on Cu coating sensor and electrical potential difference principle.Firstly,insulation treatment process was used to prepare a dielectric layer on structural substrate,such as an anodizing layer on 2A12-T4 aluminum alloy substrate,and then a Cu coating crack monitoring sensor was deposited on the structure fatigue critical parts by pulsed bias arc ion plating technology.Secondly,the damage consistency of the Cu coating sensor and2A12-T4 aluminum alloy substrate was investigated by static tensile experiment and fatigue test.The results show that strain values of the coating sensor and the 2A12-T4 aluminum alloy substrate measured by strain gauges are highly coincident in static tensile experiment and the sensor has excellent fatigue damage consistency with the substrate.Thirdly,the fatigue performance discrepancy between samples with the coating sensor and original samples was investigated.The result shows that there is no obvious negative influence on the fatigue performance of the 2A12-T4 aluminum alloy after preparing the Cu coating sensor on its surface.Finally,crack monitoring experiment was carried out with the Cu coating sensor.The experimental results indicate that the sensor is sensitive to crack,and crack origination and propagation can be monitored effectively through analyzing the change of electrical potential values of the coating sensor.     

某型航空涡扇发动机静电传感器机载化监测实验

计了一种特定尺寸的静电传感器,并将其装配在涡扇发动机低压涡轮出口附近的尾喷管管壁,以民用涡扇发动机为静电传感器载体及监测对象开展静电监测实验.以一个完整性能试车过程为周期,采集周期内的尾气静电信号.进一步对静电信号和发动机性能参数进行数据对比分析,同时对测试过程中异常状态下活动率水平（AL）和负事件率（NER）进行计算.实验验证了航空发动机静电监测技术具备机载化的可行性,实验结果表明:正常状态下静电信号电压幅值大小约为5mV,静电水平跟随运行功率变化并呈正相关性;静电传感器对尾气中存在的异常颗粒具有良好的监测效果,在发动机富油状态下静电信号的活动率水平和负事件率分别达到14pC及8%.      

盘用材料缺口特征尺寸对缺口强度的影响

现代航空发动机轮盘工况复杂,常常在榫槽、通气孔、螺栓孔等几何不连续处遭受破坏。这些几何不连续性特征可以视为广义的缺口,为了分析缺口附近几何特征尺寸对航空发动机轮盘复杂结构件抗拉强度的影响规律,基于典型盘用合金GH4169设计了双边缺口平板试样、双边不等缺口平板试样、不等厚双边缺口平板试样以及不等厚双边不等缺口平板试样进行试验研究。试验结果表明:缺口平板试样的应力集中系数与缺口抗拉强度存在一定的相关性,缺口抗拉强度无量纲化常数与应力集中系数的试验数据点存在一定的分布规律,二者的拟合曲线能很好地描述试验结果分布规律。包括GH4169、GH738和TC11合金等常用航空塑性金属材料在内的缺口平板试验数据点落在拟合曲线±10%以内的分散带内。     

耦合服役环境下高耐久性薄膜传感器裂纹监测

现有裂纹监测技术多存在耐久性差、虚警率高的问题。以物理气相沉积（PVD）薄膜传感器为研究对象,提出了提高其耐久性的方案,并检验了其在耦合服役环境下的监测性能。首先,选定了Cu作为使传感器耐久性最佳的导电传感层沉积材料,并采用离子镀氮化铝（AlN）薄膜和涂覆705硅胶对PVD薄膜传感器进行了封装保护;然后,综合考虑服役环境因素,编制加速环境谱,将经过封装的制备有薄膜传感器的试验件进行环境耦合加速试验;最后,对环境试验后的薄膜传感器开展疲劳裂纹监测试验,并将薄膜传感器监测结果与显微镜观察测量结果进行对比。试验结果表明：薄膜传感器能承受1 000 h严酷环境的考验,具有较高的耐久性和稳定性;环境试验后的薄膜传感器对裂纹变化敏感,PVD薄膜传感器的监测结果与基体裂纹扩展的实测信息相一致,PVD薄膜传感器的电位监测信号可以作为裂纹扩展状态和结构损伤程度的监测判据,PVD薄膜传感器可以实现对金属结构裂纹的定量监测,监测精度可达到1 mm。