層狀碳纖維復合材料結構熱應變光纖傳感特性研究

胡雪雯 張澤敏 郭智 周康鵬 孫廣開

(1 北京信息科技大學 光電信息與儀器北京市工程研究中心,北京 100016) (2 北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院,北京 100192) (3 北京空間機電研究所,北京 100094) (4 天津大學 精密儀器與光電子工程學院,天津 300072)

高分辨率遙感衛星是國家重點發展的高端航天裝備,在軍事偵察、農業估產、氣象預測、防災減災等領域具有重要應用。為保證遙感衛星的探測性能,采用具有質量輕、強度高、抗電磁干擾等優點的復合材料來制造承力結構、次級結構以及其他功能結構[1-2]。碳纖維復合材料受空間冷熱交變載荷作用會產生應變和變形,影響結構力學穩定性,進而影響遙感衛星探測成像質量和定位精度[3-4]。因此,采取有效措施監測復合材料結構熱應變,并根據監測數據進行反饋控制,對保障遙感衛星性能穩定具有關鍵作用,同時在軌監測數據也為材料輕量化設計和結構性能優化提供重要依據。

光纖傳感器因具有輕量化、高靈敏度、抗電磁干擾以及易于分布式組網等優勢,成為航天器結構健康監測的主要方法之一[5-6]。國內外在遙感衛星結構光纖監測方面開展了一定的前期研究工作。例如:文獻[7]構建了分布式全光纖光柵系統,監測衛星蜂窩夾芯復合材料板在受到沖擊損傷時的響應信號。文獻[8]建立了熱塑性纏繞的熱傳導數學模型,基于ANSYS的有限元模型對熱傳遞過程進行仿真,分析了纏繞過程中鋪層溫度的變化情況。文獻[9]在鑄鋁件中嵌入光纖布拉格光柵,監測其在熱載荷作用下的應變。文獻[10]將單個傾斜光纖布拉格光柵嵌入玻璃纖維/環氧樹脂復合材料板中,監測結構固化過程中引起的熱力學變化。但是目前對層狀復合材料結構熱應變的光纖監測研究仍然較少,對復合材料熱應變特點及其光纖傳感特性缺乏必要的研究。

本文針對層狀復合材料結構熱應變光纖傳感特性進行研究,利用有限仿真模擬T700級碳纖維增強復合材料層壓板熱應變變化規律,并以7075鋁合金板為對照。實驗驗證了光纖監測復合材料層壓板熱應變的有效性和精度,為高分辨率遙感衛星層狀復合材料結構熱應變在軌監測提供技術基礎。

1 復合材料熱應變有限元仿真

1.1 熱應變有限元仿真模型

用ANSYS有限元仿真軟件構建層狀復合材料模型,復合材料由增強碳纖維束和環氧樹脂基體組成,纖維體積分數為50%,纖維直徑7μm。層壓板結構尺寸為600mm×600mm×1mm,層合板自下而上鋪8層,單層厚度為0.125mm,鋪層角度分別為0°、90°、0°、90°、90°、0°、90°、0°,結構模型如圖1所示。

圖1 層合板鋪層結構模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of laminate layering structure model

1.2 熱應變有限元仿真參數

選擇T700碳纖維/環氧樹脂為研究對象,并設置7075鋁合金為對照組。查閱文獻資料[11-13],T700碳纖維、環氧樹脂和7075鋁合金的基本熱物性參數如表1所示,其中X方向表示平行纖維鋪層方向,Y方向表示垂直纖維鋪層方向,Z方向表示垂直XY平面的厚度方向。

表1 有限元仿真材料熱物性參數Table 1 Thermal physical parameters of finite element simulation materials

2 實驗原理及系統設計

2.1 光纖光柵溫度-應變解耦

光纖光柵(Fiber Bragg grating,FBG)傳感器應用于遙感衛星時通常同時受到溫度和應變作用,產生交叉敏感信號。溫度與應變交叉耦合變化引起的光纖光柵反射中心波長相對偏移量表達式為

Δλ=KεΔε+KTΔT

(1)

式中:Δλ為中心波長的偏移量;Kε為應變靈敏度系數;KT為溫度靈敏度系數;Δε,ΔT分別為應變與溫度的變化量。

目前主要采用的溫度與應變解耦的方法有兩類,一類是溫度和應變同時測量,另一類是溫度補償法,主要包括溫度參考光柵法和溫度補償封裝法[14-15]。根據研究需要選擇溫度參考光柵法進行溫度與應變解耦。溫度參考光柵法操作較為簡單方便,只需在同一溫度環境下布設一個與應變傳感光柵材料參數相同的溫度參考光柵僅用于測量溫度變化即可。溫度和應變傳感方程為

(2)

式中:ΔλT、Δλε分別為FBG溫度傳感器和FBG應變傳感器的波長漂移量。

由上述公式計算可得FBG傳感器測量的溫度值和應變值為

(3)

2.2 光纖監測實驗系統設計

被測試件選用T700級碳纖維增強復合材料層壓板,結構尺寸為600mm×600mm×1mm,薄板底部中心150mm×150mm區域粘貼加熱片和Pt100溫度傳感器。在層壓板頂部粘貼3個FBG傳感器,FBG1用于測溫,FBG2和FBG3分別用于測量X方向(即平行纖維方向)以及Y方向(即垂直纖維方向)的應變。光纖布局設計如圖2(a)所示。采用相同尺寸的7075鋁合金板作為對比試件,底部相同位置粘貼加熱片和Pt100傳感器用于溫度控制與測量。由于鋁合金板是各向同性材料,在頂部加熱區域中心處粘貼2個FBG傳感器,分別用于應變和溫度測量。

光纖監測實驗系統主要由鋁合金框架搭建的實驗平臺、復合材料層壓板、光纖傳感器、解調儀、溫控器和計算機組成,如圖2(b)所示。復合材料層壓板頂部中心區域粘貼3個光纖傳感器用于測量溫度、應變信息。底部中心粘貼加熱片和Pt100溫度傳感器,采用精度為0.01℃的薩妮SLD70溫控器進行溫度控制。以室溫(25℃)為初始溫度,從30℃開始以10℃為步進升溫至100℃,當溫控器示數趨于穩定時,采用解調頻率為1Hz的旭峰光電48通道光纖光柵解調儀采集某一溫度對應的FBG中心波長,并將數據存儲到計算機上便于后續數據處理。

注:①為FBG1;②為FBG2;③為FBG3;④為FBG解調儀;⑤為溫控器;⑥為計算機。圖2 光纖監測實驗系統設計Fig.2 Design of optical fiber monitoring experiment system

3 結果與討論

3.1 熱場測量結果與分析

在復合材料層壓板中心150mm×150mm區域施加熱載荷,初始溫度為25℃,從30℃開始以10℃為增量設置載荷步,最高溫度為100℃。對鋁合金板進行相同的載荷設置作為對照組。仿真的熱場分布云圖如圖3所示。

圖3 有限元仿真熱場分布云圖Fig.3 Distribution nephogram of temperature field in finite element simulation

由圖3可知,兩種材料結構的熱場分布具有對稱性,以復合材料層壓板和鋁合金板結構,“1”為起始點“2”為終點的沿X方向路徑提取不同位置的溫度數據,其結果如圖4(a)所示。復合材料層壓板的溫度主要集中在225～375mm的加熱區域,其他區域溫度無明顯變化即為室溫25℃。由于鋁合金材料導熱系數大、散熱快,熱量在100～500mm區域內擴散。有限元仿真熱場分布曲線如圖4(b),(c)所示。

由仿真結果可知復合材料層壓板加熱區域溫度較高,實驗選用FBG和Pt100溫度傳感器測量加熱區域中心點溫度。實驗采用精度為0.01℃的薩妮SLD70溫控器測量Pt100的溫度,測量過程中溫度有所波動,因此選擇保留一位小數。根據解調儀多次采集的FBG中心波長數據計算光纖測量得到溫度平均值,以Pt100溫度傳感器的測量值作為溫度測量的基準值,計算光纖測量溫度的誤差。溫度測量數據如表2所示。

圖4 有限元仿真熱場分布曲線Fig.4 Temperature field distribution curve of finite element simulation

由表2可知,在30～100℃范圍內,FBG溫度傳感器在復合材料層壓板上溫度測量的最大誤差為3.00%,平均相對誤差為1.98%。在鋁合金板上溫度測量的最大誤差為2.10%,平均相對誤差為1.63%。

表2 FBG與Pt100的溫度測量值對比Table 2 Comparison of temperature measurements between FBG and Pt100

實驗分別用Pt100溫度傳感器以及溫度參考光柵FBG1測量兩種不同材料在局部熱載荷作用下的溫度變化情況,溫度擬合曲線如圖5所示。

圖5 兩種材料測量溫度的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of the measured temperature of two materials

由圖5可知FBG和Pt100兩種溫度傳感器測量值具有良好的一致性,線性度均大于0.999。數據表明FBG溫度測量精度高,可用于光纖熱應變測量時溫度與應變解耦。

3.2 熱應變測量結果與分析

復合材料層壓板仿真結構邊界約束條件設置為四邊固定,并導入3.1節中生成的瞬態溫度場,仿真計算得到的層壓板應變場分布云圖如圖6所示。對鋁合金板進行相同設置作為對照組,仿真得到鋁合金板應變場分布云圖如圖7所示。

圖6 復合材料層壓板有限元仿真應變云圖Fig.6 Strain nephogram of carbon fiber board finite element simulation

由圖6可知,復合材料層壓板受熱膨脹中心區域應變值最大,四邊固定對平板的擠壓產生的應變為負值。復合材料是各向異性材料,100℃時X和Y方向受熱膨脹的應變值分別為154.71με、180.44με。由圖7可知,由于鋁合金是各向同性材料,因此X和Y方向受熱膨脹的應變值均為502.52με。

圖7 鋁合金板有限元仿真應變云圖Fig.7 Strain nephogram of aluminum alloy plate finite element simulation

如圖8(a)所示,以A1為起點A2為終點沿X軸方向提取橫向不同距離的應變數據,以B1為起點B2為終點沿Y軸方向提取縱向不同位置的應變數據。在30～100℃碳纖維板的應變隨溫度升高而增大,應變主要集中在225～375mm的加熱區域,且Y方向的應變大于X方向的應變。而鋁合金各向同性X方向和Y方向應變相同,且中心區域受熱膨脹引起的應變由中心向四周遞減,主要集中在150～450mm區域。有限元仿真應變場分布曲線如圖8所示。

根據有限元應變場仿真結果,采用2.2節的實驗裝置,將光纖應變傳感器FBG2、FBG3用CC-33A膠水分別粘貼在平行纖維方向和垂直纖維方向,并用光纖解調儀采集不同溫度下的FBG傳感器中心波長數據。利用溫度參考光柵FBG1進行溫度-應變解耦,計算得到加熱區域中心點處X方向(即平行纖維方向)、Y方向(即垂直纖維方向)的應變測量值,由于鋁合金各向同性只需沿一個方向粘貼光纖應變傳感器FBG2測量應變值即可。FBG應變傳感器測量數據如表3所示。

圖8 有限元仿真應變場分布曲線Fig.8 Field strain distribution curve of finite element simulation

由表3可知,實驗測得復合材料層壓板測量的100℃沿纖維軸向和徑向應變分別為155.8με、181.3με。以仿真應變值為基準計算相對誤差,30℃時軸向應變、徑向應變最大相對誤差為3.67%、3.91%,平均相對誤差分別為1.58%、1.52%。鋁合金板測量的最大應變為498.7με,50℃時最大相對誤差為2.55%,平均相對誤差為1.41%。

用FBG應變傳感器測量復合材料層壓板和鋁合金板在局部熱載荷作用下的應變變化,熱應變隨溫度變化曲線如圖9所示。由圖9可知,在30～100℃溫度范圍內,復合材料層壓板和鋁合金板仿真和實驗測量的熱應變隨溫度升高而增大,而碳纖維增強復合材料熱應變具有各向異性特征,X方向應變小于Y方向應變。層壓板X和Y方向應變仿真值與實測值的重復性誤差為1.12%、1.09%,鋁合金板應變仿真值與實測值的重復性誤差為1.04%。

表3 FBG熱應變測量值與仿真模擬值對比Table 3 Comparison of FBG thermal strain measurements with simulated values

圖9 兩種材料的熱應變-溫度變化及誤差曲線Fig.9 Thermal strain-temperature curves and error curves of two materials

4 結論

(1)層狀碳纖維復合材料結構廣泛用于高分辨率遙感衛星關鍵結構制造,此類結構的熱應變隨溫度升高而近似線性增加,同一溫度下其熱應變量顯著低于鋁合金結構的熱應變量,主要原因是碳纖維復合材料的熱膨脹系數比鋁合金的小一個量級。當溫度從30℃升高至100℃時,復合材料結構軸向和徑向熱應變量分別比鋁合金結構熱應變量小342.9με、317.4με。

(2)在局部熱載荷作用下,層狀復合材料結構的熱應變分別呈現各向異性特征。100℃時光纖光柵測量復合材料結構軸向和徑向應變分別為155.8με、181.3με,平均相對誤差分別為1.58%、1.52%。實驗驗證了溫度參考光柵法用于光纖溫度與應變解耦具有可行性。

(3)利用光纖光柵傳感器和溫度參考光柵熱解耦法可以有效測量層狀復合材料結構熱應變,但由于復合材料結構的熱應變量小,常規的光纖光柵通常只能達到微應變級的測量精度,難以滿足更小應變的測量需求。需要研究具有更高靈敏度、更高精度的熱應變光纖測量技術,以滿足高分辨率遙感衛星復合材料結構納級應變在軌高精度測量需求。