论文研究-利用分布式光纤光栅检测复合材料板损伤技术研究 .pdf

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利用分布式光纤光栅检测复合材料板损伤技术研究,杨风平,张东生,基于分布式FBG传感器对复合材料板横纵方向采集的应变信息,作者提出了一种基于双正弦解的应变模拟方法,分析由于孔的存在导致的应
山国武技记文在 用中面位移分量,,和载荷表示的层合板平衡方程,用算了即为 w= 称为用中面位移分量 和载荷表示的层合板平衡方程算子表示。 四边简支边界条件为 分别表示便捷的法向和切向方向。 化简后正交冬向异性层合板弯曲问题的基本方程和边界条件: 取挠度为双三角(正弦)函数: O=∑∑ 显然挠度ω满足所有边界糸件,将横向载荷 也展廾为双三角(止弦)函数,即 ∑∑ 式中,载荷 展开系数为 进而 即得四边简支正交各向异性层合板弯曲问题的挠度解 ∑∑ 元 若 加载在层合板的中心,上下对称,左右对称时。 山国武技记文在 应变与挠度的关系近似为 得到沿轴方向的应变表达式 =∑∑—x 由于上述解收敛较快,在一定精度范围内,取前几项就能得到较好的结果. 一阶解为E 元元 三阶解为E 丌 丌 定义 ,对于一阶解E= 即可确定 对于三阶解 在稳定恒定的情况下,光纤光栅的测量波长π视为只对其轴向应变敏感,波长变化与 应变关系如下 Ka 式的左边,可通过光栅的应变测得相应位置的对应方向的应变。等号右边与光栅的位置有关, 进而可以求出 ,带入式,可求出各点的挠度和应变信息 实验结果及分析 实验采用正交编织的复合材料板,大小为 ,。光纤光栅布设在加载点的 反面。粘怗光栅时注意确保涂覆均匀以避免光栅产生啁啾。支撑方式为四边简支。实验中, 通过施加预应力的方式,在复材板中心(,)位置加载重物,载荷集中通过大小为 重的方块及童的薄板,通过加载个重物以施加顶应力。测试系 统如图所示,光纤光栅告诉解调仪有个通道,光源为扫描激光,波长范围为 ,分辨率为加载示意图如图所示,应变花从上到卜应变花横着编号依次标 山国武技记文在 应力 复合材料板 图测试系统示意图 图加载示意图 在加载点改变重物个数以改变施加应力,次加载,每次保存,每次实验时间不超 过半小时,温度为室温,可视为不变。利用解调仪测量中心波长的变化,即得光栅粘 帖处对应方向相应位置的应变。图为横向加载与应变之间的关系,图为纵向加载与应变 之间的关系。 加载 图橫向加载与应变关系 图纵向加载与应变关系 从图和图可以发现,位置处的数据最大 次之,与理论相符。 四个光栅处于昃合板的四角,、、应变数据较接近,而位置距离损伤点较近,数据明 显增大。、处于层合板的对称位置,由于附近存在损伤,、应变数据随着加载的增 加逐渐分离,、同样处于对称位置,附近存在损伤,导致、的应变不重合,横向、 相对」、较小,但纵向、相对」、较大 由」 光栅在横纵向的数据相差无儿,利用 模拟由确定的阶理论未 受损的横纵向应变分布如图和图所示 图阶横向应变分布模拟图 图阶纵向应变分布模拟图 山国武技记文在 横向在,,的应变分别为393u,μe,94.5u与其实验值在位置处的 uE 相差较远,而损伤在此位置足以引起较大的损伤值,故阶并不能很好模拟其应变分布,即 横向中间部位还存在其他阶数的应变响应。纵向在,,的应变分别为27.8uE,53uE,1389uE 与其实验值在位置处的με相差较远,而损伤在此位置不能够引起较大的损伤值,即 纵向在中间部位存在其他阶数的应变响应 增加阶数到阶,由于、、数值相差无几,而位于、中间,位于、中间 利用 模拟由,,确定的阶理论未受损的应变分布如图和图所示。 排排 ER排 5 图 阶横向应变分布模拟图 阶纵向应变分布模拟图 此时,横向在的应变分别为84μu与其实验值在位胃处的82.31μe相差较近,纵向 在的应变值为161μ与实验值160.85uε相差很近,而位置距离孔的位置较远,由于孔 导致的应变变化值很小,即说明了阶能很好的模拟复合材料层合板未受损时的应变分布。 横纵向分布的不一致体现了复合材料的各向异性。 减去上图的应变之后的应变绝对值进行插值模拟图如图和 图所示(插值方法为 的插值) 图横向应变绝对值插值樸拟图 图纵向应变绝对值插值模拟图 由图和图可得位置处的应变变化值很小,说明了三阶应变模拟的准确性。横纵 向由于石下角损伤的存在,其应变变化的绝对值在此处明显较大,但横纵向变化不一致,主 要是加载点距离孔较远,且孔处于角落位置,孔周闱应丿分布不均匀导致的。对比分析倾斜 方向加载与应变之间的关系如图, 减去相应位置的应变之后的 应变插值模拟图如图,与横纵方冋一致,损伤部位应变变化佶明显较大。 山国武技记文在 T71 图斜向加载与应变关系 图斜向应变绝对值插值模拟图 结论 提出一种方法利用分布式光纤光栅分析带孔正交复合材料板,对孔附近应变的影响。利 用测得的应变数据,模拟出未受损时的复合材料板的应变分布,求得孔附近由于孔的 存在导致的应变变化佰,进行插值后,中间位置的应变与模拟的应变分布具有一致性,证明 了该方法的可行性。最后分析出孔周围不同方向的应变花有不同的变化趋势。 参考文献 复合材料力学基础西北工业大学出版社

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