植入FBG的碳纤维复合材料全寿命周期结构状态研究

将光纤光栅传感器与碳纤维复合材料进行一体化集成设计,在碳纤维复合材料内部植入光纤光栅传感器,验证了埋置工艺的可行性,确认了其可实时监测环境温度值,研究了植入光纤光栅传感器后碳纤维复合材料的结构强度变化及光纤光栅的信号传递率。试验结果表明:碳纤维复合材料埋入光纤光栅传感器前后结构强度变化率小于10%,光纤应变信号传递率高于90%,光纤光栅传感器可以作为碳纤维复合材料结构进行从加工固化、使用过程直至破坏的全寿命周期的结构强度监测的有效手段。     

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。     

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。     

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。     

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.     

模具表面状态对复合材料构件固化变形的影响

为查明不同模具表面状态下的复合材料构件应变演变规律及其对固化变形的影响,采用热电偶和光纤光栅传感器对不同模具表面状态下的复合材料构件在热压罐成型工艺过程中的温度和应变进行在线监测,获得不同模具表面状态下构件应变的变化规律。结果表明:升温阶段脱模布的使用能够有效屏蔽模具-构件界面相互作用,使构件在升温阶段的应变很小。三层脱模剂模具表面条件下构件中的应变明显小于一层脱模剂;降温阶段三种实验条件下在构件中都出现了较大的压应变,其中一层脱模剂模具表面状态下模具-构件相互作用力最大,在固化工艺完成后构件发生翘曲变形,且翘曲变形以沿纤维方向为主。     

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。     

复材制件固化过程温度控制的探讨与实践

复合材料制件在成型过程中温度均匀性的控制,是影响产品各项力学性能的关键因素之一。通过对实际生产中典型碳纤维/环氧复合材料固化过程进行分析,分别从零件构型、工装结构和热电偶模拟方式3个方面对碳纤维/环氧复合材料制件固化过程热温度控制进行研究。分析得出该类复材制件固化时零件温度控制的一般规律,为后续同类型零件的温度控制研究打下基础。     

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.     

复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解

 提出了一种复合材料纤维铺放路径的生成算法。首先探讨了铺放方向的确定,基于由芯模形心线得到的铺放参考线,针对沿0°,45°,90°这3种铺放情况,设计了具体的铺放路径生成算法。在此基础上,建立了纤维丝数与铺放路径间的对应关系,基于铺放路径的等距离线,提出并实现了一种纤维裁剪算法,使得复合材料纤维较为均匀地铺放在芯模表面。基于CATIA CAA,开发了相应软件模块。通过铺放过程的模拟,对本文算法进行了验证。     

超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂复合材料研究

研究了在层内和层间两种混杂方式下,T300与表面处理前后的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维混杂复合材料的弯曲强度和ILSS的变化,结果表明层间混杂复合材料的黏结性比层内混杂好。在相同的混杂方式下,采用未处理的DC88纤维、合成的VE树脂,混杂复合材料的ILSS比E 51体系提高25%以上。采用VE树脂和处理后DC88/T300层间混杂,控制含胶质量在40%时,ILSS达到42.5MPa,是未处理的DC88/E 51体系的ILSS的5倍。混杂复合材料密度在1.12～1.24g/cm³之间,在航空航天结构材料减重上有良好的应用前景。     

纤维增强热塑性塑料中纤维含量的精确调控

研究了双螺杆挤出机生产纤维增强热塑性塑料时,纤维股数、双螺杆转速、塑料喂料量与纤维含量的关系,通过调节此三个参数,纤维含量可精确控制在±0.1wt％的范围内.当主机螺杆转速和塑料喂料量,或纤维股数和塑料喂料量同时增加,挤出造粒产量将提高相同倍数,而纤维含量保持不变.本方法高效可行、精确可控,容易为操作者所掌握,特别适用于指导生产实践.     

提高碳纤维复合材料容器纤维强度发挥率的方法

针对薄壁金属内衬碳纤维复合材料容器,采用网格理论设计和纤维发挥强度经验取值方法易导

致容器实际爆破压力远远高于设计压力,纤维强度实际发挥率高于设计值的结果。本文主要分析其原因并提

出解决途径和设计中的一些方法:一是可按纤维的实际复丝拉伸强度来进行复合材料工艺设计;二是可考虑计

算内衬和树脂基体对容器结构强度的贡献量;三是可对纤维强度性能离散性高的材料进行分类管理;四是可通

过开展等强度包络圈设计方法和封头部位的补强技术研究来改进。应用本文中的方法可以充分发挥复合材料

容器纤维强度,降低成本,提高结构效率。

     

复合材料结构中的纤维路径及连续纤维的均布性

本课题基于对复合材料结构中某一组合单元在指定方向上应具有最大承载能力的要求,提出了纤维路径的概念,并由每层纤维并行排列、连续纤维均布性、纤维面密度值固定的规定,引申出每层纤维的连续性和连续纤维均布性指标,提出了最大铺叠宽度和最小铺叠宽度的工艺参数,并针对一些典型曲面的纤维路径提出了铺叠工艺的实施方法。     

PBO-C/ E 复合材料的界面及压力容器性能

研究了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料的界面性能和压力容器性能。采用层间剪切强度测试和吸水率测试研究了不同混杂比对混杂复合材料界面粘接性能和吸水性能的影响。研制了PBO纤维与T700碳纤维混杂复合材料Ф150 mm压力容器,对容器的水压爆破性能和轴压承载性能进行了测试。结果表明:混杂复合材料的层间剪切强度随着混杂比增大逐渐升高,当T700碳纤维含量较低时,混杂复合材料界面粘接性能提高并不明显;混杂复合材料的吸水率介于PBO纤维和T700碳纤维复合材料之间,近似符合"混合定律",界面数对混杂复合材料吸水性影响较大;混杂复合材料Ф150 mm容器的PV/W随着混杂比增大逐渐降低,混杂工艺能够使PBO纤维复合材料容器的轴压承载性能提高31%。     

全同光纤布拉格光栅单纤复用能力的研究(英文)

本文从理论上研究和分析了一种基于OTDR和TDM技术的新型光纤布拉格光栅复用方法的复用能力。这种方法可以在同一根光纤上复用成百个全同的低反射率布拉格光栅,从而使布拉格光栅传感器在航空航天健康监测领域得到更广泛的应用。分析表明,当布拉格光栅的反射率足够低时,系统的复用能力可以大大提高。因此,基于这种复用方法,可以实现廉价的大规模分布传感系统。在评价这种系统的复用能力时,我们第一次提出应该考虑光栅间多次反射光的干涉效应的影响。     

三维混杂碳纤维/芳纶纤维增强尼龙复合材料力学性能研究

制备了三维混杂碳纤维／芳纶纤维增强尼龙复合材料(HY／PA)并对其力学性能进行了测试。研究表明：由于芳纶纤维的加入，使碳纤维增强尼龙复合材料(CF／PA)的抗冲击性能有了显著提高，HY／PA的抗冲击强度随芳纶纤维体积分数的增大而有所提高；另外，HY／PA在改善CF／PA的横向剪切强度的同时，也改善了芳纶纤维增强尼龙复合材料(KF／PA)的纵向剪切强度；同时，混杂效应对HY／PA的弯曲性能的影响最为显著，HY／PA的弯曲强度、弯曲模量均高于任一种单一纤维复合材料。     

光纤环非互易相位误差尾纤补偿方法研究CSCD

针对光纤环的热致非互易误差的补偿方法进行研究,并通过仿真分析与实验验证,证明了某种光纤环尾纤长度与光纤环热致非互易误差之间的关系。根据等效介质理论和Mohr理论,建立了光纤环热致非互易相位误差仿真分析模型,并利用该模型计算了不同温度环境条件下,某类型光纤环顺逆时针方向光纤长度发生变化时,陀螺仪输出的全温零位漂移的变化量。仿真及实验结果表明,在1℃/min温变速率条件下,总长约800m的光纤环圈顺逆时针方向光纤长度相差约0.5m时,光纤环全温零位漂移量缩小了0.4(°)/h。研究结果得出了针对此类型的光纤环,当光纤环尾纤每减少0.5m,其热致非互易相位误差减小0.4(°)/h的规律。该项研究成果为后续优化光纤环的全温精度奠定了基础。     

计入纤维交叉影响的缠绕复合材料等效模量计算方法

本文提出一种用于分析纤维缠绕结构（宏观）的等效弹性模量方法,该方法具有较好的准确性。本文首先基于纤维缠绕微观结构的特点建立代表性体积单元（RVE）,并在此模型中计人纤维束交织现象的影响,对各个工艺参数（缠绕角、纤维束起伏区、交叉面积）的影响进行了计算分析;然后对经典层合板理论与等效模型计算结果进行了对比,指出经典层合板理论计算存在的误差与纤维束起伏区几何参数具有很大关系;最后利用等效均匀化理论得到缠绕结构的宏观弹性模量,并与试验值进行对比,验证了本计算模型和分析方法的准确性。