集成于碳纖維復合材料的fsFBG響應特性研究

常新龍,孫超凡,齊重陽,張有宏,郭 一,朱雪蒙

(1.火箭軍工程大學 導彈工程學院, 西安 710025; 2.陜西星際榮耀空間科技有限責任公司 固體動力研發部, 西安 710100)

0 引言

碳纖維復合材料由于具有比強度高、抗疲勞性好、耐腐蝕、熱導率低及便于大規模成型等特點[1-5],在航空航天領域得到廣泛應用。而在復合材料服役過程中,易受集中應力、沖擊載荷等環境因素的影響,導致其力學性能下降。因此,需對復合材料結構進行狀態監測保證其服役可靠性和安全性。通過傳感器與復合材料集成構建智能復合材料結構,實現對自身工作狀態和外界環境的實時監測,該技術已成為近幾年的研究熱點。光纖光柵傳感器(FBG)相比傳統電子傳感器具有多結構參數測量、抗電磁干擾以及在極高溫下工作的能力[6-8]。

目前,國內外學者已開展了許多基于FBG復合材料結構損傷監測的研究工作。劉文韜等[9]將FBG嵌入SRM復合材料殼體結構涂層中,通過數學模型研究了傳感器在層間的應變傳遞規律,得出了涂層彈性模量和厚度與應變傳遞率的關系。Rickman等[10]將FBG結合在航天器結構試驗件的表面,檢測經過超高速撞擊后的應力波和殘余應變,進而確定受到沖擊的位置。周春華等[11]利用FBG構建全光纖檢測系統監測出沖擊時刻的響應信號,并對信號進一步提取特征,最終根據瞬時能量密度的差異結合能量云圖識別出損傷位置。Goossens等[12]在飛機碳纖維復合材料加筋板的表面布置FBG傳感網絡,引入GDI指數評估了1.62 m×0.94 m的加筋板受到沖擊時易損壞區域不可目視損傷的演化,實現了對碳纖維復合材料層合加筋板內部損傷的實時量化。顧欣等[13]將FBG傳感器布置到復合材料加筋板上,對加板板面和加筋條進行撞擊,選取加筋條撞擊時FBG傳感器的響應特性構建特征向量,通過構建能量與撞擊位置的函數,實現了對加筋條撞擊事件和撞擊位置的識別。Jun等[14]將FBG傳感器埋入到單向碳纖維復合材料中,提出一種基于支持向量機(SVR)和神經網絡(BP)相結合的沖擊位置識別集成算法。王春文等[15]在試件中埋入FBG傳感器監測T700碳纖維復合材料預浸料在熱固化和微波固化過程中的溫度和應變變化。雖然上述文獻提出很多基于FBG實現復合材料狀態監測的方法,但并未系統研究復合材料不同層間光纖傳感器對動靜態載荷的響應特性。

因此本文中選擇具有更高強度、更好穩定性和耐疲勞性的fsFBG作為傳感元件,在碳纖維復合材料層合板的表面和層間進行布置。研究不同層間fsFBG在動靜載荷作用下的敏感特性,從而為基于fsFBG的復合材料結構損傷監測提供依據。

1 檢測原理

當外界物理量作用于fsFBG時,產生的應變會引起光柵周期和纖芯的有效折射率發生變化。通過建立反射譜的中心波長變化量與外界環境作用量之間的數學關系,即可利用fsFBG對外界環境作用量進行監測[16]。

fsFBG反射譜的中心波長計算表達式[17]如下

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中:λB為反射譜中心波長;neff為光纖纖芯有效折射率;Λ為光柵柵格周期。

當fsFBG受到外界環境作用時,會引起neff與Λ的改變,進而導致λB發生變化,通過對λB變化量的測量就可以實現對外界環境作用量大小的檢測。

Bragg中心波長變化量ΔλB在受軸向應力和環境溫度作用的情況下,可以用下式表示[18]

(αT+ξT)ΔT+kτTΔεΔT

(2)

式(2)中:ν為光纖纖芯的泊松比;P11為纖芯的彈光系數;P12為包層的彈光系數;αT為纖芯材料的熱膨脹系數;ξT為熱光系數;kτT為溫度-應變系數,以上系數都是與光纖材料有關的常數;ΔT為溫度變化量;Δε為應變變化量。

當fsFBG受到軸向應變時,光柵周期和光纖的彈光效應會產生一定的變化,從而使fsFBG反射譜對應的中心波長發生變化,且fsFBG所受應變與其中心波長變化量有良好的線性關系[19]。

2 實驗過程

2.1 試驗系統

本實驗采用山東威海光威復材生產的T800單向環氧樹脂基碳纖維預浸料制備復合材料;采用的fsFBG由天津學森科技利用飛秒激光逐點直寫技術所生產,該傳感器可在不顯著改變復合材料結構完整性的情況下嵌入到復合材料內部。

復合材料共鋪設16層,鋪層方式為[-45/0/45/90/90/-45/0/45]s,最終尺寸為330 mm×330 mm。分別在第4/5、12/13層(均為90°鋪層)的中心位置布置fsFBG,傳感器鋪設角度與其上下2層預浸料的碳纖維同向。

復合材料層合板固化成型后,在同一位置的上下表面對稱粘貼fsFBG,以研究處于不同層間fsFBG的響應特性差異。命名上表面傳感器為A、4/5層間傳感器為B、12/13層間傳感器為C、下表面傳感器為D。

將4個fsFBG連接至光纖光柵傳感系統對反射光譜中心波長偏移信息進行調制。本實驗所使用的光纖光柵傳感系統為MicronOptics公司的SM130光纖光柵傳感解調儀,其波長檢測范圍為1 510～1 590 nm,分辨率小于1 pm,波長測量重復精度為2 pm,掃描頻率為1 kHz,輸入功率檢測范圍為-60～-20 dB,實驗設置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

2.2 實驗設置

2.2.1靜載荷加載試驗

1) 不同加載距離

以fsFBG柵區中心為原點,在垂直于光柵軸線方向設置3、6、9、12、15 cm共5個不同距離的加載點,如圖2(a)所示。

2) 不同加載角度

在層合板的上表面以光柵中心位置為原點、以6 cm為半徑做圓。fsFBG軸向方向為0°,從0°開始每隔30°設置一個加載點,共4個加載點,各個加載點與光柵軸向分別呈0°、30°、60°、90°,如圖2(b)所示。

圖2 不同距離、不同角度的加載點示意圖

將上述碳纖維復合材料層合板進行4邊固支,通過在加載點依次放置多個1 kg的砝碼進行靜態加載。為模擬集中靜載作用,砝碼不直接接觸板面,而是由一個專用靜載模具承載。每次放置2 min,等待fsFBG中心波長穩定后記錄數據。

2.2.2動載荷加載試驗

采用32 g鋼球從15 cm高度自由落下的形式對碳纖維復合材料層合板結構進行沖擊實驗,實驗中的沖擊點與前述靜態載荷施加的位置相同。

在收集到沖擊信號后,截取沖擊前后共0.8 s的時域信號,用Matlab對其進行快速傅里葉變換得到頻域信號,從而分析不同加載距離和不同加載角度下fsFBG的動態響應特性。

3 結果與討論

3.1 靜載條件下fsFBG響應特性

3.1.1載荷大小對中心波長偏移量的影響

由于實驗過程中所施加的載荷量沒有引起復合材料層合板內部損傷,此時準各向同性的復合材料層合板處于線彈性階段,施加的載荷與柵區的應變量呈線性關系。隨著載荷增大,復合材料層合板形變不斷增大并引起fsFBG的柵距增大,因此同一加載點的各fsFBG中心波長變化量的絕對值隨之呈線性遞增。如圖3所示。

圖3 中心波長變化量與載荷大小的關系

3.1.2不同層間對中心波長偏移量的影響

傳感器A、B的中心波長隨著載荷增加有減小的趨勢,反映出柵區的局部應變為壓應變;而傳感器C、D的中心波長變化與之相反,反映出柵區的局部應變為拉應變。以上現象表明,在加載過程中,復合材料層合板上下表面及層間的變形方式不同,中間層以上受壓而中間層以下受拉。并由材料應力應變關系[20-21]模型可知,在靜載過程中,從層合板中間層到表面的應變沿厚度方向呈線性增加,因此在受到相同載荷情況下,埋入內部fsFBG柵區的局部應變量小于上下表面fsFBG柵區的局部應變量,圖4與此表現一致。

圖4 各層間fsFBG的中心波長變化量 與載荷大小的關系

3.1.3加載距離對中心波長偏移量的影響

圖5為fsFBG承受相同載荷時中心波長變化量與加載距離的關系圖,顯示各層間fsFBG中心波長變化量的絕對值隨著加載距離的增加在不斷減小;同時隨著載荷的增大,變化量絕對值的下降速度明顯增加。

這是由于碳纖維增強相的存在,使得復合材料對應力傳輸過程的衰弱效果明顯增強,隨著加載點距離的增加,同一載荷產生的應力在柵區處的作用越小,產生的局部應變也隨之變小。雖然各個加載點之間距離是相等的,但由于復合材料的各向異性導致應力的衰弱隨距離增加呈非線性,因此fsFBG中心波長偏移量的絕對值隨加載距離L的增大呈指數減小,且加載載荷越大,應力波衰弱效果越明顯,從而導致偏移量的絕對值下降越快。

圖5 中心波長變化量與加載距離的關系

3.1.4加載角度對中心波長偏移量的影響

圖6顯示在相同載荷作用下,各fsFBG的中心波長變化量與加載角度的關系?？梢钥闯?fsFBG的中心波長變化量隨著加載角度的增大而逐漸增大。加載角度在30°以下和75°以上時,各fsFBG中心波長變化量增加比較緩慢;加載角度在30°～75°時,fsFBG中心波長變化量之間的差距較大,傳感器C表現最為明顯。由此可得出結論:隨加載點加載角度的增加,fsFBG的應變靈敏度隨之變高。

經分析,造成以上現象的原因是加載角度大于0°時,應力可分解為軸向和徑向的應力分量,而光柵柵區處的應變靈敏度為此處軸向和徑向應變的靈敏度之和,因此要大于應力只沿光柵軸向分布時的應變靈敏度。

同時發現,相同角度及相同載荷的條件下不同層間fsFBG的響應不相同,如圖7所示。各加載角度下中間層以上的fsFBG中心波長變化量絕對值要大于中間層以下的;且當加載點角度從0°變化到90°時,中間層以上與中間層以下的fsFBG中心波長變化量絕對值差異逐漸變小,說明隨著加載點角度的增加,相同載荷所引起光柵柵區沿厚度方向的局部應變差異逐漸變小。

圖6 中心波長變化量與加載角度的關系

圖7 中心波長變化量與fsFBG位置的關系

3.2 沖擊載荷下fsFBG響應特性

3.2.1加載距離對中心波長偏移量的影響

圖8分別對應加載距離為3、6、9、12、15 cm的沖擊點受到沖擊時各個fsFBG的時頻信號圖,其中同一距離下的上行為時域信號,下行為頻域信號。對比各沖擊點的時域信號,4個fsFBG均可以監測到復合材料層合板的沖擊事件,并且隨著沖擊點距離的增加,沖擊所引起的最大波長變化量逐漸減小:Δλ3 cm>Δλ6 cm>Δλ9 cm>Δλ12 cm>Δλ15 cm

復合材料層合板上的沖擊載荷是以應力波的形式傳遞,隨著沖擊點距離增加,應力波在傳播中衰減越嚴重,到達傳感器處的應力波越小,造成信號的幅值也就越小。分析不同位置沖擊點的頻域信號發現,各沖擊點的頻域響應信號相似,均集中在140 Hz和430 Hz左右,只是振幅隨沖擊點距離的增加逐漸減小,說明相同方向不同距離的沖擊不影響復合材料層合板的諧振頻率。

圖8 不同距離沖擊下fsFBG響應信息

3.2.2加載角度對中心波長偏移量的影響

圖9表示沖擊距離為6 cm時,沖擊角度為0°、30°、60°、90°下各fsFBG的響應信號,上行為時域信號,下行為對應的頻域信號。對比各角度沖擊點的時域信號發現:fsFBG可以監測到各角度下的沖擊,并且從0°到90°,沖擊所引起的fsFBG最大中心波長變化量隨著角度的增加而逐漸增大:Δλ0°<Δλ30°<Δλ60°<Δλ90°

這是因為不同角度下的應力波沿復合材料層合板傳遞至光柵柵區的衰減程度不同所導致,沖擊點與光柵軸向的夾角越小,應力波衰減越嚴重。分析不同角度沖擊點的頻域信號可知:各角度沖擊點的頻域信號相似,都響應了140 Hz及430 Hz的信號,說明相同距離不同角度的沖擊點不影響復合材料層合板的諧振頻域,但幅值隨沖擊點角度的增加而增大。

圖9 不同角度沖擊下fsFBG響應信號

分析圖8、圖9同一沖擊點下不同fsFBG的時域信號發現:位于中間層以上的fsFBG中心波長朝著短波長方向變化,而中間層以下的fsFBG與之變化相反。這與層合板受到沖擊時的瞬間局部應變有關,與前節中fsFBG的靜載響應規律一致。同時,埋入式fsFBG中心波長最大變化量的絕對值小于表面粘貼式fsFBG,且2個粘貼式(或2個埋入式)fsFBG中心波長變化量的絕對值相近,這是由于應力波在復合材料層合板中沿厚度方向傳播時有衰減,越靠近層合板中間層衰減越嚴重。

4 結論

1) 通過動靜加載實驗可知:表面和各層間的fsFBG中心波長變化量與載荷大小呈單調遞增、隨加載距離的增大呈指數減小。

2) fsFBG具有良好的方向敏感特性:加載距離和載荷相同時,fsFBG的敏感度隨加載夾角θ增加而增大;且動載頻域顯示,不同角度的沖擊只改變振幅,不改變諧振頻率。

3) 中間層到受力面之間呈現壓應力,其余層受拉應力;表面fsFBG的響應幅值均大于層間fsFBG的響應幅值。

本文中只是對復合材料層合板結構進行了動靜載荷作用下fsFBG的響應特性研究,但實際應用中復合材料不局限于板形結構,后續將對不同結構進行研究。