基于编入光纤传感器的三维编织复合材料性能研究

论文题目: 基于编入光纤传感器的三维编织复合材料性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 测试计量技术及仪器

作者: 李向华

导师: 袁慎芳

关键词: 三维编织复合材料,光纤传感技术,胞元模型,修正倾斜层板理论,几何建模,光纤,光栅传感器,应变检测,失效分析

文献来源: 南京航空航天大学

发表年度: 2005

论文摘要: 三维多向编织复合材料由于其本身所具有的优异性能,被称之为第三代纤维增强复合材料,广泛应用于航空航天等各领域,将光纤传感器编入三维编织复合材料结构中,可以实现编织结构内部性能参数的检测,有助于推进材料结构的健康状况、制作工艺和强度刚度性能预计的研究工作。本文从材料结构的设计思想出发,对光纤传感器编入三维编织复合材料结构内部的细观胞元模型、组分性能关系以及光纤传感技术用于编织材料性能的测试作了初步的理论和实验研究。 首先,建立了两种不同的光纤传感器编入三维编织复合材料结构方法下的内胞模型,研究了其内胞模型中光纤与纱线接触线形状以及体积关系,给出了胞元模型中不同组分的纤维体积含量的表达式,得出一些相应的结论。 从先前的几何分析出发,基于修正倾斜层板理论模型,推导了不同光纤传感器编入编织结构方式的刚度性能预计公式,计算了材料结构模型的弹性模量和泊松比,建立了 Michelson 干涉型传感测试实验系统进行实验。实验结果验证了修正倾斜层板模型理论的合理性。 荷载在胞元模型中的分配和传递是研究分析光纤传感器在编织结构内部进行结构性能参数测试的重要环节之一,本文对编入光纤的单胞进行了理论分析,研究了编入光纤的三维编织复合材料内胞和面胞的布尔生成过程,结合设定的边界条件和连续条件,在变分原理的基础上,对于空间组合的多相介质系统,建立各项的格林函数和基体、纱线和光纤部分及相互界面上的平衡解析方程。同时对单胞模型运用有限元结构分析软件进行几何建模,分析了单胞模型等价于实验形式的相似等效连续条件和边界条件。 光纤 Bragg 光栅传感器灵敏度高, 可实现点测量和准分布测量。采用光纤Bragg 光栅编入编织复合材料结构内部,建立了拉伸测试的光纤 Bragg 光栅传感系统并对结构内部应变进行了检测,并将实验结果与等效边界条件下模拟分析的计算结果作了比较。 最后,针对编入光纤光栅的三维编织复合材料试件拉伸失效模式进行了分析研究,探讨光纤光栅对结构试件由弹性形变区域到塑性形变区域过渡过程的预计作用,从细观角度上分析了结构的破坏机理和机制。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 编织复合材料的发展概述

1.2 三维编织结构的性能及特点

1.3 三维编织复合材料结构性能预计的研究概况

1.4 光纤智能复合材料结构的研究发展

1.4.1 光纤传感技术概述

1.4.2 光纤智能复合材料结构研究概述

1.5 用于光纤智能纺织复合材料结构的主要光纤传感器

1.5.1 偏振式光纤应变传感器

1.5.2 法布里-珀罗干涉型光纤应变传感器

1.5.3 光纤Bragg 光栅传感器

1.6 研究背景和意义

1.7 研究内容

第二章 含光纤编织复合材料单胞模型的几何关系

2.1 引言

2.2 四步法编织原理

2.3 RTM 固化成型工艺

2.4 光纤编入编织材料的编织方法研究

2.5 内胞中光纤和纱线的几何关系

2.6 面胞中光纤与纱线的几何关系

2.7 内胞模型的主要几何参数分析

2.7.1 光纤以轴向纱方式编入

2.7.2 光纤按编织纱方式编入

2.8 本章小结

第三章 光纤编入的单胞模型刚度分析

3.1 引言

3.2 修正层板理论模型

3.2.1 预备知识

3.2.2 光纤按轴向纱方式编入

3.2.3 光纤按编织纱方式编入

3.3 Michelson 光纤应变传感测试系统

3.3.1 试件制备与测试

3.3.2 Michelson 光纤传感工作原理

3.3.3 光探测器工作原理

3.3.4 放大器的选用

3.3.4 实验程序及结果

3.4 本章小结

第四章 含光纤内胞模型的建模分析及处理

4.1 引言

4.2 面胞和内胞模型建立

4.3 单胞模型的布尔操作

4.5 连续条件

4.5.1 位移的连续性

4.5.2 转角的连续性

4.6 边界条件

4.7 平衡方程

4.8 含光纤单胞模型的ANSYS 建模和分析

4.8.1 ANSYS 软件简介

4.8.2 内胞模型的有限元建模

4.9 实验中加载边界条件的ANSYS 模拟

4.9.1 弹性理论的边界和界面条件

4.9.2 编入光纤的编织结构单胞模型边界条件

4.9.3 ANSYS 模拟结果

4.10 本章小结

第五章 编织复合材料光纤Bragg 光栅内应变检测研究

5.1 引言

5.2 光纤光栅理论模型

5.2.1 耦合模理论

5.2.2 传输矩阵法

5.3 模拟分析结果

5.4 光纤光栅在编织结构单胞模型应变场中响应分析

5.5 光纤Bragg 光栅的解调方法

5.6 光纤Bragg 光栅拉伸实验设计

5.6.1 试件制备

5.6.2 实验结果和分析

5.6.3 与第四章模拟结果比较

5.7 本章小结

第六章 光纤光栅用于三维编织复合材料结构强度预计的实验研究

6.1 引言

6.2 编织结构的强度预计模型简介

6.2.1 拉伸强度载荷分配模型

6.2.2 拉伸强度层板降级失效模型

6.2.3 基体占优失效模型

6.2.4 压缩强度失效模型

6.3 编织结构拉伸强度实验结果

6.4 实验微观分析

6.5 强度失效分析

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文的总结

7.2 存在问题

7.3 今后的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录A 坐标系转换

附录B 传递分析的预备知识

附录C 边界条件的计算结果

发布时间: 2005-07-08

参考文献

• [1].三维编织复合材料性能及工艺的光纤测试技术研究[D]. 黄睿.南京航空航天大学2002

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