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專利名稱：一種用啁啾光柵定位碳纖維復(fù)合材料橫向裂紋的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)損檢測(cè)方法，尤其是一種用啁啾光柵定位碳纖維復(fù)合材料橫向裂紋的方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維復(fù)合材料在服役過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋、纖維斷裂、分層等多形式的損傷，其中 非軸向?qū)拥臋M向裂紋是最易發(fā)生的一種損傷模式，當(dāng)橫向裂紋密度增加到一定程度會(huì)誘發(fā) 分層等其他損傷模式的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。為保證結(jié)構(gòu)安全，需要一種有效的結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測(cè)技術(shù)，使裂紋累計(jì)在尚未達(dá)到威脅結(jié)構(gòu)安全之前就能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的裂 紋產(chǎn)生及擴(kuò)展情況，保證其安全運(yùn)行。傳統(tǒng)復(fù)合材料無(wú)損監(jiān)測(cè)方法成本較高、設(shè)備復(fù)雜且難 以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。光纖FBG光柵因其具有直徑小、柔韌易彎曲、抗電磁干擾、優(yōu)良的可埋入性、波分 時(shí)分復(fù)用和分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)，成為智能材料與結(jié)構(gòu)的首選傳感方式。FBG光柵傳感器是一 種通過(guò)布拉格反射波長(zhǎng)的移動(dòng)來(lái)感應(yīng)外界微小應(yīng)變變化的敏感元件，具有對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng) 變進(jìn)行高精度絕對(duì)測(cè)量和準(zhǔn)分布式數(shù)字測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。線形啁啾光柵是非均勻光纖光柵的一種，其柵格周期沿纖芯軸向單調(diào)、連續(xù)、線性 變化。一根線性啁啾光柵可看作是柵格周期各不相同的多個(gè)光柵微元相連而成，各光柵微 元對(duì)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行選擇性反射。整個(gè)光柵的反射譜可以看作各個(gè)微元反射作用的總 和，表現(xiàn)為其反射譜具有一定的寬度。其反射譜波長(zhǎng)與光柵位置是一一對(duì)應(yīng)的，所以當(dāng)光柵 所處位置的應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，啁啾光柵反射光譜變化與光柵位置是一一對(duì)應(yīng)的，啁啾光 柵反射光譜可表示為沿光柵位置的函數(shù)。所以復(fù)合材料裂紋的位置和擴(kuò)展可通過(guò)與啁啾光 柵相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處反射光譜局部光強(qiáng)的下降來(lái)進(jìn)行確定的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在復(fù)合材料應(yīng)力集中部位埋入啁啾光柵傳感 器，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光柵反射光譜的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部裂紋的準(zhǔn)確定位監(jiān)測(cè)，從 而為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估和安全使用奠定了基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種用啁啾光柵定位碳纖維復(fù)合材 料橫向裂紋的方法，其步驟如下(1)制作碳纖維復(fù)合材料正交層板，其鋪層次序?yàn)閃。2/90° 4/0° 2]，啁啾光柵 傳感器被埋入碳纖維復(fù)合材料正交層板2的0°層內(nèi)，與90°層相鄰。(2)啁啾光柵傳感器通過(guò)光纖和耦合器相連，然后耦合器通過(guò)光纖和寬帶光源相 連，耦合器通過(guò)光纖和光纖傳感分析儀相連，光纖傳感分析儀通過(guò)普通數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)分 析系統(tǒng)相連。(3)恒溫條件下，碳纖維復(fù)合材料正交層板的試件在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中，利用光纖 傳感分析儀監(jiān)測(cè)啁啾光柵反射光譜，然后輸入計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)。
(4)在坐標(biāo)系中調(diào)整啁啾光柵長(zhǎng)度與埋入前的啁啾光柵反射光譜的FWQM(帶寬) 相一致，此時(shí)啁啾光柵反射光譜中，光強(qiáng)(反射率)下降的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置及波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的 光柵位置，就是復(fù)合材料90°層內(nèi)橫向裂紋產(chǎn)生的位置。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，成本低廉，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料中的橫向裂紋。


圖1為本發(fā)明的工作原理簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式在圖1中，符號(hào)1代表啁啾光柵傳感器；符號(hào)2代表復(fù)合材料正交層板；符 號(hào)3代 表耦合器；符號(hào)4代表光纖；符合5代表寬帶光源；符號(hào)6代表光纖傳感分析儀；符號(hào)7代 表計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)。如圖1所示一種用啁啾光柵定位碳纖維復(fù)合材料橫向裂紋的方法，其步驟如下(1)制作碳纖維復(fù)合材料正交層板2，其鋪層次序?yàn)閃。2/90° 4/0° 2]，啁啾光 柵傳感器1被埋入碳纖維復(fù)合材料正交層板2的0°層內(nèi)，與90°層相鄰。(2)啁啾光柵傳感器1通過(guò)光纖4和耦合器3相連，然后耦合器3通過(guò)光纖4和寬 帶光源5相連，耦合器3通過(guò)光纖4和光纖傳感分析儀6相連，光纖傳感分析儀6通過(guò)普通 數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)7相連。(3)恒溫條件下，碳纖維復(fù)合材料正交層板2的試件在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中，利用光 纖傳感分析儀6監(jiān)測(cè)啁啾光柵反射光譜，然后輸入計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)7。(4)在坐標(biāo)系中調(diào)整啁啾光柵長(zhǎng)度與埋入前的啁啾光柵反射光譜的FWQM(帶寬) 相一致，此時(shí)啁啾光柵反射光譜中，光強(qiáng)(反射率)下降的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置及波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的 光柵位置，就是復(fù)合材料90°層內(nèi)橫向裂紋產(chǎn)生的位置。工作原理通過(guò)光柵位置與光柵反射光譜光強(qiáng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定橫向裂紋的 位置。分為兩個(gè)步驟(1)首先確定光柵波長(zhǎng)與光柵位置的函數(shù)關(guān)系。(2)從反射光譜確定 波長(zhǎng)光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而確定光譜光強(qiáng)與光柵位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。光柵的反射波長(zhǎng)為λ (ζ) = 2Λ (ζ) η (ζ)其中軸向應(yīng)變?chǔ)?ζ，光柵周期分布Λ和平均反射指數(shù)η可由下式確定Λ (ζ) = Λ0(ζ) [1+ ε ζ(ζ)]
3η{ζ) = n,-^-{pn-vf (pu + ρ22)} εζ(ζ)Aci和η(ι分別為埋入前光柵的起始光柵周期和起始平均反射指數(shù)。Atl可表示為A0 = Ac+Δ A (z_Lg/2)Λ。是光柵中心的光柵周期，Δ A是沿光柵長(zhǎng)度方向的周期線性變化，1^是光柵長(zhǎng) 度，ζ是沿光柵的位置。本發(fā)明采用的啁啾光柵傳感器可為標(biāo)準(zhǔn)直徑(外徑250 μ m)，也可為細(xì)徑52 μ m, 光柵長(zhǎng)度可選擇15mm、30mm、45mm、60mm，反射光譜的帶寬為20_40nm。碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)體可為T300或T700，基體可為環(huán)氧、雙馬和聚酯樹(shù)脂，其成型工藝可采用手糊成型和模壓成型工藝 光纖光譜分析儀采用美國(guó)Micro optics inc生產(chǎn)的SI720光纖傳感分析儀。它是一款大功率、高精度、高分辨率的儀器，它不僅可給出光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化，還可以 提供光纖光柵在1520nm-1570nm范圍內(nèi)的反射光譜。測(cè)量功率為5HZ，測(cè)量精度為0. 2pm。
權(quán)利要求
一種用啁啾光柵定位碳纖維復(fù)合材料橫向裂紋的方法，其特征在于具體步驟如下(1)制作碳纖維復(fù)合材料正交層板，其鋪層次序?yàn)?br> ，啁啾光柵傳感器被埋入碳纖維復(fù)合材料正交層板的0°層內(nèi)，與90°層相鄰；(2)啁啾光柵傳感器通過(guò)光纖和耦合器相連，然后耦合器通過(guò)光纖和寬帶光源相連，耦合器通過(guò)光纖和光纖傳感分析儀相連，光纖傳感分析儀通過(guò)普通數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)相連；(3)恒溫條件下，碳纖維復(fù)合材料正交層板的試件在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中，利用光纖傳感分析儀監(jiān)測(cè)啁啾光柵反射光譜，然后輸入計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)；(4)在坐標(biāo)系中調(diào)整啁啾光柵長(zhǎng)度與埋入前的啁啾光柵反射光譜的帶寬相一致，此時(shí)啁啾光柵反射光譜中，光強(qiáng)下降的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置及波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光柵位置，就是復(fù)合材料90°層內(nèi)橫向裂紋產(chǎn)生的位置。
全文摘要
一種用啁啾光柵定位碳纖維復(fù)合材料橫向裂紋的方法，其步驟如下(1)制作碳纖維復(fù)合材料正交層板，其鋪層次序?yàn)?br> ，將啁啾光柵傳感器埋入碳纖維復(fù)合材料正交層板的0°層內(nèi)，與90°層相鄰。(2)恒溫條件下，碳纖維復(fù)合材料試件在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中，利用光纖傳感分析儀監(jiān)測(cè)啁啾光柵反射光譜。(3)在坐標(biāo)系中調(diào)整啁啾光柵長(zhǎng)度與埋入前的啁啾光柵反射光譜的帶寬相一致，此時(shí)啁啾光柵反射光譜中，光強(qiáng)下降的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置及波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光柵位置，就是復(fù)合材料90°層內(nèi)橫向裂紋產(chǎn)生的位置。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，成本低廉，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)出碳纖維復(fù)合材料中的橫向裂紋。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101819160SQ200910010458
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者盧少微, 王柏臣, 陳平 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院