【摘 要】
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准确测量单向碳纤维/环氧树脂层压复合材料的内部应变场对于复合材料的设计和应用具有重大价值。在实际应用中,复合材料面临着复杂的外界环境,如温度的剧变,这会使得结构件内部产生热应力,发生热膨胀或者热翘曲等现象。一旦监测到材料的应变超过安全阈值,即可进行预警,保障复合材料的尺寸稳定性和服役过程中的健康安全。光纤Bragg光栅(FBG)具有尺寸小,灵敏度高,易集成等特点,可用于材料微小应变的实时原位测量。
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准确测量单向碳纤维/环氧树脂层压复合材料的内部应变场对于复合材料的设计和应用具有重大价值。在实际应用中,复合材料面临着复杂的外界环境,如温度的剧变,这会使得结构件内部产生热应力,发生热膨胀或者热翘曲等现象。一旦监测到材料的应变超过安全阈值,即可进行预警,保障复合材料的尺寸稳定性和服役过程中的健康安全。光纤Bragg光栅（FBG）具有尺寸小,灵敏度高,易集成等特点,可用于材料微小应变的实时原位测量。本文将研究层压复合材料在升温过程中,内部应变场的原位测量和有限元分析表征。将FBG传感器按照0°（碳纤维方向）,45°,90°（垂直于碳纤维）三个方向置入单向碳纤维/环氧树脂层压复合材料的表面和内部,在30℃～180℃的升温过程中,对其应变场进行原位测量。用有限元分析方法模拟复合材料升温过程中对应位置的应变—温度曲线。两者比较分析不同方向和位置应变分布规律。主要研究工作如下:（1）采用密封胶条保护法,将FBG传感器埋置于预成型体的特定位置,经真空辅助树脂传递模塑（VARTM）方法固化成型,制备内置FBG的碳纤维/环氧树脂层压复合材料。（2）利用电热鼓风干燥箱和光栅解调仪,测量得到复合材料在升温过程中的应变—温度曲线。发现复合材料表面和内部,0°,45°,90°三方向的应变变化规律。（3）建立混杂模型,用有限元分析方法模拟复合材料的升温过程,获取其内部应变场分布和应变—温度曲线,揭示热应变的厚度效应和方向效应。主要研究结论如下:（1）单向碳纤维/环氧树脂层压复合材料在升温过程中的应变具有方向效应。0°方向表现为极小的热收缩,45°方向和90°方向表现为热膨胀,90°方向的热膨胀大于45°方向。（2）单向碳纤维/环氧树脂层压复合材料在升温过程中的应变具有厚度效应。表面和内部产生显著的热应变差异。在0°方向,表面热收缩值大于内部热收缩值;在45°和90°方向,表面热膨胀值小于内部热膨胀值。（3）有限元分析表明,在0°方向上纱线的热收缩占主导作用,在90°方向上树脂的热膨胀占主导作用。纱线的热响应受到树脂的影响,在纱线内部形成了有梯度的应变场。同时树脂的热响应也受到纱线的影响。树脂和纱线的热响应协同作用于复合材料的热响应,使得复合材料热应变存在方向效应和厚度效应。
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