基于连续碳纤维树脂智能材料的梁结构应变模态表征.pdf

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1、书书书复 合 材 料 学 报第?卷?第?期?月?年?文章编号?收到初稿日期?收到修改稿日期?网络出版时间?网络出版地址?基金项目?国家自然科学基金?通讯作者?朱四荣?博士?教授?从事碳纤维智能复合材料的研究?基于连续碳纤维?树脂智能材料的梁结构应变模态表征朱四荣?周志勇?吕?泳?郑华升?李卓球?武汉理工大学 理学院?武汉?摘?要?研制了一种具有动态传感功能的碳纤维?树脂智能层?可用于结构的应变模态诊断?通过不同加载频率下的单向拉伸实验揭示了这种智能材料对低频动态载荷的响应能力?并理论分析了动态响应误差的影响因素?在此基础上将碳纤维?环氧树脂智能层连续敷设于悬臂梁结构表面代替传统的点式应变片?进

2、行应变模态测试?测试结果表明?碳纤维?环氧树脂智能层可以较精确地反映结构的前三阶固有频率?并较好地表征结构的前三阶应变模态振型?对悬臂梁局部附加质量后重新进行了模态试验?结果表明?附加质量后?智能层反映的结构固有频率显著下降?同时?在附加质量所在的节点位置?智能层反映的应变模态振型有突变产生?说明智能层所表征的应变模态对结构物性参数变化具有识别能力?采用智能层与采用应变片的实验结果一致?此外?基于碳纤维?树脂智能层的可覆盖性?采用有限的测点全面捕捉了结构的应变模态信息?并在测试中通过在可疑区域内逐步增加测点?实现了结构物性参数变化的定位?关键词?碳纤维?树脂智能层?动态传感特性?结构健康监测?

3、应变模态?物性参数变化识别中图分类号?文献标志码?当今结构健康监测?领域中?动态检测法占据相当重要的地位?特别是结合系统识别?振动理论?振动测试技术?信号采集等跨学科技术的模态分析法已得到国内外学者普遍认同?年清华大学李德葆教授提出以应变模态作为损伤观测量是结构健康检测中一种有效的方法?其敏感性优于位移模态及振动频率?因此逐渐受到重视?一些研究者通过对框架结构的实验?用应变模态实现了结构损伤位置的识别?但对于现场应变测量?传统电阻应变片会受到一定制约?例如?桥梁损伤具有局部应力集中?稍远区域应力恢复正常的特点?只能作点式测量的应变片需要预知损伤部位才能检测损伤?在大型结构上很不方便?其蠕变?老

4、化及温度变化也会影响长期检测的可靠性?用分布式光纤应变计可以直接检测光纤布置区域任一点的应力 应 变 变 化?避 免 了 应 变 片 单 点 测 量 的 局 限性?但迄今为止?由于维护困难?测试系统复杂以及价格昂贵等原因?使用范围受到限制?近年来?作者所在课题组致力于碳纤维智能层的研究?其主要思想是将碳纤维智能层敷设于结构表面?利用其力阻特性感应结构的变形?区别于传统的点式应变片传感器?碳纤维智能层连续地覆盖在结构表面因而可在大范围内实施传感?并可通过电极布置灵活选择传感区域?其中?以碳纤维?树脂复合材料?制作的树脂基碳纤维智能层?依靠树脂自身的粘接性可有效避免长期服役中智能层与结构间的分层?

5、从而更适合长期监测的需求?随着传感特性及其机制研究的深入?本课题组已逐步将树脂基碳纤维智能层应用于结构的应变?挠度等静态参数识别?以及静态载荷作用下结构的损伤监测?同时?不断完善了智能层的制作工艺?其中?在最近研制的搭接式树脂基碳纤维智能层?大幅提高了智能层的灵敏度?单位应变导致的电阻变化率?和稳定性?展现出良好的应用前景?本文中采用经表面处理的连续碳纤维束和环氧树脂为原材料制作智能层?将其代替传统点式应变片表征结构的应变模态?以弥补应变片在数据完备性和耐久性方面的不足?由于与其它?材料研究现状类似?当前对碳纤维?树脂智能层的传感特性的研究还局限在静态范围内?因此?本文作者首先通过不同加载频率

6、下的单向拉伸实验考察了碳纤维?树脂智能层动态响应特性?在此基础上?将智能层敷设在悬臂梁结构表面?采用锤击法进行模态试验?基于智能层的响应得到悬臂梁的前三阶应变模态?并对悬臂梁局部附加质量?进一步分析了智能层所表征的应变模态对结构物性参数变化的识别能力?实验中同时采用应变片进行测试以验证智能层检测结果的可靠性?此外?开展了梁的物性参数变化的定位研究?在分段测量中?通过逐步增加测点数量?以细化监测范围?实现对附加质量块的定位?实?验?原材料碳纤维?台丽?规格?基连续碳纤维?单丝直径?树脂?环氧树脂?湖南岳阳岳华化工用品有限公司?低分子?聚酰胺树脂?湖南岳阳岳华化工用品有限公司?其它材料?导电银胶?

7、多股铜芯线?动态传感智能束试样制备为提高智能层的力阻效应灵敏性?预先采用物理和化学的方法对碳纤维进行表面处理?使得智能层具有更高灵敏度?以提高智能层动态响应信号的抗干扰能力?首先是物理方法?将?宽的连续纤维裁剪成?左右宽的窄样条?裁剪过程中通过增加纤维搭接结构?增加纤维之间的界面面积?随后采用化学活性剂涂抹纤维表面?增强界面活性?以突出碳纤维的界面效应?为应用四电极法测试试样电阻?用导电银胶在碳纤维试样上按预定位置粘贴铜电极?其中一对位于试样端部用于电流激励?其它电极成对布置在试样中部用于电压采集?银胶固化后?将环氧树脂与聚酰胺树脂按?质量比?混合?用树脂混合后总质量?的丙酮稀释?制得碳纤维?

8、树脂智能层试样?常温 固 化?成 型?试 样 中 碳 纤 维 含 量 为?质量分数?测试过程?智能层的动态响应特性实验采用环氧树脂将固化的智能层试样粘贴在尺寸为?的基体构件表面以进行动态响应性能测试?试样尺寸如图?所示?图?智能束拉伸实验试样?在?电液伺服试验机上对试样进行动态循环拉伸实验?加载频率先后选取为?载荷循环区间?实验过程中采用四电极法测试电阻?即用直流电源?在智能层外侧两电极上通?恒定电流?采用?动态分析系统采集内侧两电极间的电压?通过欧姆定律计算得到试样的电阻?分析智能层电阻随基体构件变形的变化规律?朱四荣?等?基于连续碳纤维?树脂智能材料的梁结构应变模态表征?基于智能层的悬臂梁

9、应变模态表征在一?的玻璃钢悬臂梁的上表面敷设按上述工艺制作的碳纤维?树脂智能层?智能层上预先布置的?个采集电极将其均匀分割为?段?各段电阻响应分别反映梁的各段变形?应变片粘贴在悬臂梁的下表面?与智能层的各监测段相对应?采用锤击法进行模态实验?利用?动态系统采集各测点应变片和智能层的响应信号并结合力锤响应信号进行分析?通过对频响函数预估计后得到频响函数幅值集总平均曲线?用力锤敲击一个固定测试点?测量其他各点?包括力锤处测点?的响应?如图?所示?分别基于智能层和应变片响应信号?结合模态分析理论进行数据处理与分析?得到悬臂梁相关的模态参数?智能层表征的应变模态对结构物性参数变化的识别及定位实验?为模

10、拟结构物性参数变化?在悬臂梁的?号节点处附加?的质量块?重复以上应变模态试验?对比智能层和应变片的实验结果以考察智能层表征的应变模态对结构物性参数变化的敏感性?此外?对附加质量进行定位分析?在被测区域内对智能层进行分段测量?依次采用?测点?测点和?测点的方式确定结构应变模态?以此逐步对附加质量块进行定位?定位实验测点布置示意图如图?所示?图?基于智能层的悬臂梁应变模态实验示意图?图?定位实验测点布置示意图?复 合 材 料 学 报?结果与讨论?智能层的动态传感特性图?为在?加载频率下?基体构件的拉伸位移及智能束的电阻随时间的变化规律?结果显示?在各加载频率下?随着拉伸位移的增大?智能层电阻线性?

11、可恢复地增大?其灵敏度分别达到?远大于常规连续碳纤维?树脂复合材料?这表明表面处理使得碳纤维?树脂智能层灵敏度大幅提高?而且?在多次循环中电阻响应曲线表现出良好的稳定性?在各加载频率下?智能层的电阻与结构变形能够很好对应?没有明显的延时效应?由此可见?智能层对变形的响应是及时的?智能层的动态响应还应考虑应变波在监测段内的传播过程所导致误差?如图?所示?当构件应变沿智能层长度方向按正弦波规律传播时?将波长?用角度?表示?将碳纤维智能层的监测段长度?用角度?表示?其中?则瞬时?智能层所反映的平均应变为?式中?为智能层监测段中点位置坐标?由于?采用级数展开得?则动态误差为?其中?为中点应变?将?代入

12、式?得?对于玻璃钢材料?若要求动态误差?对于标距为?的碳纤维?树脂智能层?其允许的最高工作频率为?槡?槡?而通常情况下?大型土木工程结构的前几阶固有频率均很低?如武汉长江二桥前三阶自振频率均在?以内?因此?在实际应用中?智能层的动态响应误差将是很微弱的?换言之?智能层动态响应性能可以适应大型土木结构动态监测的要求?图?动态循环拉伸时碳纤维?树脂智能层的电阻响应?碳纤维质量分数?图?应变波在智能层监测段内的传播示意图?智能层表征的悬臂梁应变模态悬臂梁轴向应变与智能层电阻变化关系为?其中?为灵敏度?为电阻变化量?为初始电阻?由此可见?当悬臂梁结构发生第?阶主振动时?碳纤维智能层的各段电阻变化率分布

13、呈现出相应的固有变化规律?因此?可以通过分析智能层各区域的电阻变化以确定悬臂梁的应变模态振型?经过拟合计算并将各测点数据向?号测点归一化即得该悬臂梁的前三阶应变模态振型?如图?所示?对比图?两图?可以看出?一方面智能层与应变片所分别反映的悬臂梁固有频率十分接近?另一方面二者所反映的各阶振型规律一致?均较好地表达了悬臂梁结构的前三阶应变模态?朱四荣?等?基于连续碳纤维?树脂智能材料的梁结构应变模态表征图?应变片和碳纤维?树脂智能层所表征的悬臂梁前三阶应变模态?碳纤维质量分数?智能层表征的应变模态对结构物性参数变化的识别?图?和图?反映了在悬臂梁?号节点处附加质量前后智能层和应变片所表征的应变模态

14、的变化?如图?所示?当结构附加质量后?智能层反映的结构固有频率显著下降?而在附加质量所在的?号节点位置?智能层反映的应变模态振型正好有突变产生?因此?智能层表征的应变模态对结构物性参数变化具有识别能力?这表明智能层有潜力在结构损伤的动力监测中发挥作用?对比图?和图?可以看出?智能层的实验结果与应变片的实验结果一致?图?图?反映了分别基于一阶?二阶和三阶应变模态对附加质量块进行定位的过程?首先基于?测点的实验结果发现模态振型的中间段有突变?图?图?图?则对第二段进行细分后进行?测点实验?随后发现突变位于第二段内?图?则对第二段再次细分进行?测点实验?最终确定了附加质量块的位置?图?实际工程中对于

15、突变点的判别?一方面可以与原始结构振型对比得到?另一方面?可以通过寻找与其他点不协调的点得到?这两种方法均有一定的实际意义?图?碳纤维?树脂智能层所表征的附加质量前后悬臂梁应变模态?碳纤维质量分数?图?应变片所表征的附加质量前后悬臂梁应变模态?复 合 材 料 学 报图?碳纤维?树脂智能层所表征的附加质量前后悬臂梁一阶应变模态?碳纤维质量分数为?图?碳纤维?树脂智能层所表征的附加质量前后悬臂梁二阶应变模态?碳纤维质量分数?图?碳纤维?树脂智能层所表征的附加质量前后悬臂梁三阶应变模态?碳纤维质量分数?通过以上实验可以发现?由于碳纤维?树脂智能层连续覆盖在结构表面?使得其测得的应变是某一段内的平均应

16、变?这是不可避免的?而恰恰是这一点使得智能层可以全面捕捉结构信息?在初始测量时无需做密集采集?可在有突变区域内逐步增加测点?缩小范围?实现精确定位?结?论?通过单调拉伸实验揭示了碳纤维?树脂智能层对低频动态载荷的响应能力?理论分析表明该材料对结构的变形具有较高的极限响应频率?可以满足大型土木结构动态监测的要求?智能层连续地敷设于悬臂梁结构表面代替传统的点式应变片所进行的应变模态测试结果表明?智能束可以较精确地反映结构的固有频率?并能较好地表征结构的应变模态振型?当被测结构物性参数发生变化时?智能层可感知结构固有频率变化?并可通过应变振型的突变点有效地反映物性参数变化所在的区域?碳纤维?树脂智能

17、层可全面捕捉结构的应变?朱四荣?等?基于连续碳纤维?树脂智能材料的梁结构应变模态表征模态信息?并可通过灵活布置电极?在可疑区域内逐步增加测点?实现结构物性参数变化的定位?参考文献?张丽卿?韩兵康?李春祥?基于振动的土木工程结构损伤诊断研究进展?自然灾害学报?李德葆?陆秋海?实验模态分析及其应用?北京?科学出版社?顾培英?邓?昌?汤?雷?基于工作应变模态损伤识别方法的试验研究?振动与冲击?冯振宇?李顶河?徐建新?等?含多分层损伤平面编织层合板的振动特性?复合材料学报?王?军?冯国旭?程小全?等?穿孔损伤位置对复合材料桨叶振动特性的影响?复合材料学报?李德葆?诸葛鸿程?王?波?实验应变模态分析原理和方法?清华大学学报?自然科学版?江?毅?高级光纤传感技术?北京?科学出版社?李卓球?邓友生?方?玺?碳纤维智能层及其场域诊断?公路?张小玉?李卓球?宋显辉?等?水泥基智能表层的研制及特性?华中科技大学学报?自然科学版?郑华升?树脂基碳纤维智能层的功能特性及其机理研究?武汉?武汉理工大学?朱四荣?郑华升?李卓球?树脂基搭接碳纤维智能层的力阻特性?复合材料学报?王应军?大型斜拉桥长期健康监测系统的关键技术研究?武汉?武汉理工大学?复 合 材 料 学 报