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光纤布拉格光栅传感器在结构健康监测中的应用
摘要： 目的——鉴于结构健康监测（SHM）能通过提前检测损伤避免灾难性故障并降低维护成本，在航空航天工程领域已成为备受关注的研究课题。光纤布拉格光栅（FBG）传感器因其重量轻、抗电磁干扰且可嵌入复合材料层间，被视为最具应用前景的SHM传感器之一。本文旨在研究并验证FBG传感器用于复合材料结构健康监测的可行性。 设计/方法/途径——展示了针对SHM研究的薄壁复合材料梁应用案例。详细阐述了包含FBG传感器及相关解调系统的监测体系，以及嵌入式传感器的梁体制造工艺。通过静力拉伸和扭转试验验证系统有效性，将试验获得的应变分析结果与ABAQUS?软件有限元分析数据进行对比。同时考虑噪声影响，比较了FBG传感器与应变片的数据差异。最后开展扭转载荷下的疲劳试验以评估FBG传感器的耐久性。 研究发现——结果表明FBG传感器适用于复合材料结构健康监测：其应变数据较应变片更精确且噪声更低，且证实了采用嵌入式FBG传感器获取复合材料层间可靠数据的便利性。 实践意义——FBG传感器在应变测量中的优势将推动其在SHM相关损伤检测中的应用。 原创性/价值——本文通过薄壁复合材料梁的FBG传感器应用案例，揭示了该技术在轻质复合材料结构健康监测中的适用性。
关键词： 扭转试验、拉伸试验、结构健康监测、复合梁、光纤布拉格光栅传感器
更新于2025-09-23 15:22:29
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[美国机械工程师学会2018年智能材料、自适应结构与智能系统会议 - 美国德克萨斯州圣安东尼奥（2018年9月10日星期一）] 第一卷：多功能材料的开发与表征；自适应系统的建模、仿真与控制；集成系统设计与实施 - 用于自适应刚度应用的复合压电与玻璃纤维增强聚合物梁的仿真
摘要： 玻璃纤维增强聚合物（GFRP）梁相比传统材料减重超过20%，且不影响系统性能或疲劳寿命。这类梁正被研究用于汽车板簧悬架系统以降低整车重量，从而提升燃油效率。该系统承受幅值较大但频率相对恒定的机械振动，是能量收集应用的理想场景。本研究通过用压电纤维层替代不同复合层，分析其对GFRP梁性能的影响及挠度、刚度的变化结果。计算了梁内压电纤维层变化时的最大挠度和应力。首先在ABAQUS/CAE中对简支多压电层梁进行初始仿真：该梁采用对称压电层夹持S2玻璃纤维增强聚合物层的结构，参照传统单板簧悬架设计，总尺寸为1480×72×37毫米3，预拱度27毫米。压电层与GFRP层尺寸相同，初始假设具有各向同性体特性。加载条件模拟板簧工况，对应R=0.2至0.4应力比（重型悬架疲劳分析常用值）下的循环应力，最大应力基于使底面受拉所需的单调载荷。随后将结果导入Matlab纤维取向优化算法，分析通用铺层序列[0°/45°]s，并考察正交铺层[0°/90°]s和斜交铺层[+45°/-45°]s的应力分布。分别优化GFRP层纤维取向以最大化刚度，以及压电纤维层在最小化刚度影响的同时降低挠度。这些纤维还可通过施加电场改变梁的刚度。最终将最优纤维取向参数反馈至ABAQUS/CAE模型，进行考虑各层纤维取向效应的精细化仿真。
关键词： 自适应刚度、复合梁、玻璃纤维增强聚合物、能量收集、压电材料
更新于2025-09-09 09:28:46