應用FBG傳感器監(jiān)測CFRP層合結(jié)構(gòu)低速沖擊的實驗研究.pdf

1、碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics）結(jié)構(gòu)在制造、使用和維護的過程中往往不可避免的會受到諸如工具墜落、設備碰撞等低速沖擊（ Low Velocity Impact）。與高速沖擊造成的穿透或侵徹不同，這種低速沖擊很容易在復合材料內(nèi)部產(chǎn)生基體開裂、分層和纖維斷裂等損傷，并且這些損傷往往很難用肉眼直接觀察得到，但卻會導致結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性和使用壽命大幅下降，帶來潛在的危害，尤其在飛行器的服役過程中，

2、這些難以察覺的內(nèi)部損傷更是會帶來致命的危害。因此，能夠準確有效地對復合材料結(jié)構(gòu)的低速沖擊進行監(jiān)測顯得尤為重要。
　　布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating）傳感器的直徑很小（80-125μm），將其埋入到復合材料結(jié)構(gòu)中對其力學性能的影響非常小，可以準確實時地反映出結(jié)構(gòu)內(nèi)部應變和溫度的變化情況，同時其精確度高，抗干擾能力也很強，比較適用于復合材料的實時無損監(jiān)測。針對CFRP結(jié)構(gòu)低速沖擊問題，本課題應用FBG傳感器來對

3、低速沖擊損傷進行監(jiān)測，同時結(jié)合有限元軟件ABAQUS對層合板的低速沖擊響應過程進行模擬。
　　本文首先結(jié)合復合材料的力學基礎(chǔ)，對復合材料的低速沖擊問題進行了較為深入的研究，然后在ABAQUS中對CFRP層合板在低速沖擊下的響應過程進行觀察研究。分析結(jié)果表明：應力波在層合板內(nèi)部是沿著纖維方向進行傳播的；沖擊過程中系統(tǒng)的能量是按照動能-內(nèi)能-動能的過程進行傳遞的，在沖擊結(jié)束后，系統(tǒng)的動能有一部分轉(zhuǎn)化成了系統(tǒng)內(nèi)能，這部分能量可能就會導致

4、層合板發(fā)生損傷；沖擊完成后，應力在00層和900層中的分布形式是完全不同的；通過對每層最大應力值進行比較發(fā)現(xiàn)層合板表面所承受的應力最大，越往中間應力越小；不同沖擊速度下，沖擊接觸所用的時間基本上是相同的，并不會因為沖擊速度的不同而產(chǎn)生較大的差別；隨著沖擊速度的增大，層內(nèi)的最大應力值大致呈線性增長的趨勢。
　　由于FBG傳感器本質(zhì)上是一根光纖，由于其特殊的力學性能，如果在將FBG傳感器埋入到CFRP層合板中不經(jīng)過特殊的引出、保護處理

5、，則很容易在埋入和脫模的過程中發(fā)生折斷，使得傳感器失效，無法進行信號的傳輸。首先對 FBG傳感器與CFRP層合板的相容性進行了研究。通過高溫固化實驗和固化后的拉伸彎曲實驗來考量FBG傳感器的時效性和穩(wěn)定性。實驗結(jié)果表明：固化過程中FBG傳感器能夠及時有效地對層合板內(nèi)部的變化做出反應，并能穩(wěn)定持續(xù)地輸出波長信號；固化冷卻放置之后FBG傳感器依然能穩(wěn)定持續(xù)地輸出信號，說明傳感器能在高溫固化中很好地存活下來；在拉伸彎曲實驗中，F(xiàn)BG傳感器能夠

6、十分準確的對拉力和彎曲壓力做出響應，表明FBG傳感器能和CFRP層合板很好的相容。
　　最后設計了應用FBG傳感器對CFRP層合板低速沖擊進行監(jiān)測的實驗。實驗結(jié)果表明：埋入到3個實驗件中的FBG傳感器均能準確地捕捉到瞬間的沖擊信號；在0.2~0.4J的沖擊能量范圍內(nèi)，傳感器的波長偏移峰值均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，據(jù)此可以大致判斷出沖擊能量的大小；在多次累積沖擊實驗中發(fā)現(xiàn)，通過對FBG傳感器信號的分析可以判定出層合板是否受到損傷，也能