集成于碳纤维复合材料的fsFBG响应特性研究

常新龙,孙超凡,齐重阳,张有宏,郭 一,朱雪蒙

(1.火箭军工程大学 导弹工程学院, 西安 710025; 2.陕西星际荣耀空间科技有限责任公司 固体动力研发部, 西安 710100)

0 引言

碳纤维复合材料由于具有比强度高、抗疲劳性好、耐腐蚀、热导率低及便于大规模成型等特点[1-5],在航空航天领域得到广泛应用。而在复合材料服役过程中,易受集中应力、冲击载荷等环境因素的影响,导致其力学性能下降。因此,需对复合材料结构进行状态监测保证其服役可靠性和安全性。通过传感器与复合材料集成构建智能复合材料结构,实现对自身工作状态和外界环境的实时监测,该技术已成为近几年的研究热点。光纤光栅传感器(FBG)相比传统电子传感器具有多结构参数测量、抗电磁干扰以及在极高温下工作的能力[6-8]。

目前,国内外学者已开展了许多基于FBG复合材料结构损伤监测的研究工作。刘文韬等[9]将FBG嵌入SRM复合材料壳体结构涂层中,通过数学模型研究了传感器在层间的应变传递规律,得出了涂层弹性模量和厚度与应变传递率的关系。Rickman等[10]将FBG结合在航天器结构试验件的表面,检测经过超高速撞击后的应力波和残余应变,进而确定受到冲击的位置。周春华等[11]利用FBG构建全光纤检测系统监测出冲击时刻的响应信号,并对信号进一步提取特征,最终根据瞬时能量密度的差异结合能量云图识别出损伤位置。Goossens等[12]在飞机碳纤维复合材料加筋板的表面布置FBG传感网络,引入GDI指数评估了1.62 m×0.94 m的加筋板受到冲击时易损坏区域不可目视损伤的演化,实现了对碳纤维复合材料层合加筋板内部损伤的实时量化。顾欣等[13]将FBG传感器布置到复合材料加筋板上,对加板板面和加筋条进行撞击,选取加筋条撞击时FBG传感器的响应特性构建特征向量,通过构建能量与撞击位置的函数,实现了对加筋条撞击事件和撞击位置的识别。Jun等[14]将FBG传感器埋入到单向碳纤维复合材料中,提出一种基于支持向量机(SVR)和神经网络(BP)相结合的冲击位置识别集成算法。王春文等[15]在试件中埋入FBG传感器监测T700碳纤维复合材料预浸料在热固化和微波固化过程中的温度和应变变化。虽然上述文献提出很多基于FBG实现复合材料状态监测的方法,但并未系统研究复合材料不同层间光纤传感器对动静态载荷的响应特性。

因此本文中选择具有更高强度、更好稳定性和耐疲劳性的fsFBG作为传感元件,在碳纤维复合材料层合板的表面和层间进行布置。研究不同层间fsFBG在动静载荷作用下的敏感特性,从而为基于fsFBG的复合材料结构损伤监测提供依据。

1 检测原理

当外界物理量作用于fsFBG时,产生的应变会引起光栅周期和纤芯的有效折射率发生变化。通过建立反射谱的中心波长变化量与外界环境作用量之间的数学关系,即可利用fsFBG对外界环境作用量进行监测[16]。

fsFBG反射谱的中心波长计算表达式[17]如下

λB=2neffΛ

(1)

式(1)中:λB为反射谱中心波长;neff为光纤纤芯有效折射率;Λ为光栅栅格周期。

当fsFBG受到外界环境作用时,会引起neff与Λ的改变,进而导致λB发生变化,通过对λB变化量的测量就可以实现对外界环境作用量大小的检测。

Bragg中心波长变化量ΔλB在受轴向应力和环境温度作用的情况下,可以用下式表示[18]

(αT+ξT)ΔT+kτTΔεΔT

(2)

式(2)中:ν为光纤纤芯的泊松比;P11为纤芯的弹光系数;P12为包层的弹光系数;αT为纤芯材料的热膨胀系数;ξT为热光系数;kτT为温度-应变系数,以上系数都是与光纤材料有关的常数;ΔT为温度变化量;Δε为应变变化量。

当fsFBG受到轴向应变时,光栅周期和光纤的弹光效应会产生一定的变化,从而使fsFBG反射谱对应的中心波长发生变化,且fsFBG所受应变与其中心波长变化量有良好的线性关系[19]。

2 实验过程

2.1 试验系统

本实验采用山东威海光威复材生产的T800单向环氧树脂基碳纤维预浸料制备复合材料;采用的fsFBG由天津学森科技利用飞秒激光逐点直写技术所生产,该传感器可在不显著改变复合材料结构完整性的情况下嵌入到复合材料内部。

复合材料共铺设16层,铺层方式为[-45/0/45/90/90/-45/0/45]s,最终尺寸为330 mm×330 mm。分别在第4/5、12/13层(均为90°铺层)的中心位置布置fsFBG,传感器铺设角度与其上下2层预浸料的碳纤维同向。

复合材料层合板固化成型后,在同一位置的上下表面对称粘贴fsFBG,以研究处于不同层间fsFBG的响应特性差异。命名上表面传感器为A、4/5层间传感器为B、12/13层间传感器为C、下表面传感器为D。

将4个fsFBG连接至光纤光栅传感系统对反射光谱中心波长偏移信息进行调制。本实验所使用的光纤光栅传感系统为MicronOptics公司的SM130光纤光栅传感解调仪,其波长检测范围为1 510～1 590 nm,分辨率小于1 pm,波长测量重复精度为2 pm,扫描频率为1 kHz,输入功率检测范围为-60～-20 dB,实验设置如图1所示。

图1 实验装置示意图

2.2 实验设置

2.2.1静载荷加载试验

1) 不同加载距离

以fsFBG栅区中心为原点,在垂直于光栅轴线方向设置3、6、9、12、15 cm共5个不同距离的加载点,如图2(a)所示。

2) 不同加载角度

在层合板的上表面以光栅中心位置为原点、以6 cm为半径做圆。fsFBG轴向方向为0°,从0°开始每隔30°设置一个加载点,共4个加载点,各个加载点与光栅轴向分别呈0°、30°、60°、90°,如图2(b)所示。

图2 不同距离、不同角度的加载点示意图

将上述碳纤维复合材料层合板进行4边固支,通过在加载点依次放置多个1 kg的砝码进行静态加载。为模拟集中静载作用,砝码不直接接触板面,而是由一个专用静载模具承载。每次放置2 min,等待fsFBG中心波长稳定后记录数据。

2.2.2动载荷加载试验

采用32 g钢球从15 cm高度自由落下的形式对碳纤维复合材料层合板结构进行冲击实验,实验中的冲击点与前述静态载荷施加的位置相同。

在收集到冲击信号后,截取冲击前后共0.8 s的时域信号,用Matlab对其进行快速傅里叶变换得到频域信号,从而分析不同加载距离和不同加载角度下fsFBG的动态响应特性。

3 结果与讨论

3.1 静载条件下fsFBG响应特性

3.1.1载荷大小对中心波长偏移量的影响

由于实验过程中所施加的载荷量没有引起复合材料层合板内部损伤,此时准各向同性的复合材料层合板处于线弹性阶段,施加的载荷与栅区的应变量呈线性关系。随着载荷增大,复合材料层合板形变不断增大并引起fsFBG的栅距增大,因此同一加载点的各fsFBG中心波长变化量的绝对值随之呈线性递增。如图3所示。

图3 中心波长变化量与载荷大小的关系

3.1.2不同层间对中心波长偏移量的影响

传感器A、B的中心波长随着载荷增加有减小的趋势,反映出栅区的局部应变为压应变;而传感器C、D的中心波长变化与之相反,反映出栅区的局部应变为拉应变。以上现象表明,在加载过程中,复合材料层合板上下表面及层间的变形方式不同,中间层以上受压而中间层以下受拉。并由材料应力应变关系[20-21]模型可知,在静载过程中,从层合板中间层到表面的应变沿厚度方向呈线性增加,因此在受到相同载荷情况下,埋入内部fsFBG栅区的局部应变量小于上下表面fsFBG栅区的局部应变量,图4与此表现一致。

图4 各层间fsFBG的中心波长变化量 与载荷大小的关系

3.1.3加载距离对中心波长偏移量的影响

图5为fsFBG承受相同载荷时中心波长变化量与加载距离的关系图,显示各层间fsFBG中心波长变化量的绝对值随着加载距离的增加在不断减小;同时随着载荷的增大,变化量绝对值的下降速度明显增加。

这是由于碳纤维增强相的存在,使得复合材料对应力传输过程的衰弱效果明显增强,随着加载点距离的增加,同一载荷产生的应力在栅区处的作用越小,产生的局部应变也随之变小。虽然各个加载点之间距离是相等的,但由于复合材料的各向异性导致应力的衰弱随距离增加呈非线性,因此fsFBG中心波长偏移量的绝对值随加载距离L的增大呈指数减小,且加载载荷越大,应力波衰弱效果越明显,从而导致偏移量的绝对值下降越快。

图5 中心波长变化量与加载距离的关系

3.1.4加载角度对中心波长偏移量的影响

图6显示在相同载荷作用下,各fsFBG的中心波长变化量与加载角度的关系。可以看出:fsFBG的中心波长变化量随着加载角度的增大而逐渐增大。加载角度在30°以下和75°以上时,各fsFBG中心波长变化量增加比较缓慢;加载角度在30°～75°时,fsFBG中心波长变化量之间的差距较大,传感器C表现最为明显。由此可得出结论:随加载点加载角度的增加,fsFBG的应变灵敏度随之变高。

经分析,造成以上现象的原因是加载角度大于0°时,应力可分解为轴向和径向的应力分量,而光栅栅区处的应变灵敏度为此处轴向和径向应变的灵敏度之和,因此要大于应力只沿光栅轴向分布时的应变灵敏度。

同时发现,相同角度及相同载荷的条件下不同层间fsFBG的响应不相同,如图7所示。各加载角度下中间层以上的fsFBG中心波长变化量绝对值要大于中间层以下的;且当加载点角度从0°变化到90°时,中间层以上与中间层以下的fsFBG中心波长变化量绝对值差异逐渐变小,说明随着加载点角度的增加,相同载荷所引起光栅栅区沿厚度方向的局部应变差异逐渐变小。

图6 中心波长变化量与加载角度的关系

图7 中心波长变化量与fsFBG位置的关系

3.2 冲击载荷下fsFBG响应特性

3.2.1加载距离对中心波长偏移量的影响

图8分别对应加载距离为3、6、9、12、15 cm的冲击点受到冲击时各个fsFBG的时频信号图,其中同一距离下的上行为时域信号,下行为频域信号。对比各冲击点的时域信号,4个fsFBG均可以监测到复合材料层合板的冲击事件,并且随着冲击点距离的增加,冲击所引起的最大波长变化量逐渐减小:Δλ3 cm>Δλ6 cm>Δλ9 cm>Δλ12 cm>Δλ15 cm

复合材料层合板上的冲击载荷是以应力波的形式传递,随着冲击点距离增加,应力波在传播中衰减越严重,到达传感器处的应力波越小,造成信号的幅值也就越小。分析不同位置冲击点的频域信号发现,各冲击点的频域响应信号相似,均集中在140 Hz和430 Hz左右,只是振幅随冲击点距离的增加逐渐减小,说明相同方向不同距离的冲击不影响复合材料层合板的谐振频率。

图8 不同距离冲击下fsFBG响应信息

3.2.2加载角度对中心波长偏移量的影响

图9表示冲击距离为6 cm时,冲击角度为0°、30°、60°、90°下各fsFBG的响应信号,上行为时域信号,下行为对应的频域信号。对比各角度冲击点的时域信号发现:fsFBG可以监测到各角度下的冲击,并且从0°到90°,冲击所引起的fsFBG最大中心波长变化量随着角度的增加而逐渐增大:Δλ0°<Δλ30°<Δλ60°<Δλ90°

这是因为不同角度下的应力波沿复合材料层合板传递至光栅栅区的衰减程度不同所导致,冲击点与光栅轴向的夹角越小,应力波衰减越严重。分析不同角度冲击点的频域信号可知:各角度冲击点的频域信号相似,都响应了140 Hz及430 Hz的信号,说明相同距离不同角度的冲击点不影响复合材料层合板的谐振频域,但幅值随冲击点角度的增加而增大。

图9 不同角度冲击下fsFBG响应信号

分析图8、图9同一冲击点下不同fsFBG的时域信号发现:位于中间层以上的fsFBG中心波长朝着短波长方向变化,而中间层以下的fsFBG与之变化相反。这与层合板受到冲击时的瞬间局部应变有关,与前节中fsFBG的静载响应规律一致。同时,埋入式fsFBG中心波长最大变化量的绝对值小于表面粘贴式fsFBG,且2个粘贴式(或2个埋入式)fsFBG中心波长变化量的绝对值相近,这是由于应力波在复合材料层合板中沿厚度方向传播时有衰减,越靠近层合板中间层衰减越严重。

4 结论

1) 通过动静加载实验可知:表面和各层间的fsFBG中心波长变化量与载荷大小呈单调递增、随加载距离的增大呈指数减小。

2) fsFBG具有良好的方向敏感特性:加载距离和载荷相同时,fsFBG的敏感度随加载夹角θ增加而增大;且动载频域显示,不同角度的冲击只改变振幅,不改变谐振频率。

3) 中间层到受力面之间呈现压应力,其余层受拉应力;表面fsFBG的响应幅值均大于层间fsFBG的响应幅值。

本文中只是对复合材料层合板结构进行了动静载荷作用下fsFBG的响应特性研究,但实际应用中复合材料不局限于板形结构,后续将对不同结构进行研究。