基于FBG傳感的CFRP層合板低速沖擊響應(yīng)監(jiān)測

胡業(yè)發(fā)， 王 彬， 張錦光， 宋春生， 徐仕偉

(武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、可設(shè)計性高的特點，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如汽車、飛行器等．然而，碳纖維復(fù)合材料在其生命周期內(nèi)往往會受到各種低速沖擊(沖擊速度小于25 m/s)的影響，如人為踩踏、設(shè)備碰撞等．由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)本身對沖擊作用比較敏感，這種沖擊很容易在復(fù)合材料內(nèi)部造成損傷．研究表明，低速沖擊損傷會使結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能下降35%～40%[1]．與高速沖擊(如飛行器的鳥撞沖擊[2]、防彈門的彈頭撞擊[3])不同，低速沖擊造成的損傷往往發(fā)生在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，肉眼很難直接觀察到，因此，對于低速沖擊過程必須要通過有效的手段進行監(jiān)測．

近年來，國內(nèi)外研究人員開始應(yīng)用FBG傳感器來進行沖擊的監(jiān)測．Tsuda等[4]提出了運用FBG傳感器組建的光纖傳感系統(tǒng)對CFRP層合板沖擊響應(yīng)進行測量的方法，證明了埋入FBG傳感器對復(fù)合材料板結(jié)構(gòu)的整體性影響較小．Takeda等[5]利用光柵研究了層合板在低速沖擊作用下的損傷行為，并結(jié)合應(yīng)變片和超聲C掃描對光柵監(jiān)測層合板內(nèi)部應(yīng)變的準確性及與實際損傷的相符性進行了驗證．谷廣偉等[6]通過FBG傳感器對玻璃纖維復(fù)合材料層合板的沖擊響應(yīng)進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)波長變化可以反映層合板的應(yīng)變情況．武雪等[7]將FBG傳感器埋入碳纖維復(fù)合材料層合板中，對復(fù)合材料成型過程和單次沖擊進行了監(jiān)測研究．實驗發(fā)現(xiàn)FBG傳感器能有效監(jiān)測層合板內(nèi)部的應(yīng)變．陸觀等[8]搭建了基于FBG傳感器應(yīng)變敏感特性的復(fù)合材料板沖擊監(jiān)測系統(tǒng)，分析了基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的沖擊信號特征提取方法，研究了基于信號特征提取的沖擊信號方向判別．

文獻[4-8]的研究方法多采用試驗研究，缺少低速沖擊過程的仿真分析，筆者在ABAQUS中對CFRP層合板在低速沖擊下的響應(yīng)過程進行了模擬．文獻[4-8]中的研究證明了FBG傳感器中心波長變化量能有效地反映沖擊過程中層合板內(nèi)部的應(yīng)變．但是，針對FBG傳感器中心波長偏移峰值與沖擊能量關(guān)系的研究仍欠缺．筆者采用落球沖擊的方法來進行CFRP層合板的低速沖擊實驗，通過埋置在層合板中的FBG傳感器對層合板的低速沖擊過程進行監(jiān)測，并采用解調(diào)儀對FBG傳感器信號進行快速解調(diào)，獲得了低速沖擊過程中FBG傳感器的中心波長峰值，研究了沖擊能量與FBG傳感器的中心波長偏移峰值(中心波長峰值與初始中心波長值的差值為波長偏移峰值)的關(guān)系，為FBG傳感器中心波長偏移峰值衡量沖擊能量大小提供依據(jù)．

1 CFRP層合板低速沖擊過程分析

1.1 CFRP層合板低速沖擊有限元建模

運用ABAQUS軟件對CFRP層合板在低速沖擊作用下的響應(yīng)進行模擬，由于FBG傳感器的體積小，埋入層合板后對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響較小[9]，故在仿真分析中忽略置入的FBG傳感器的影響．

根據(jù)標準ASTMD7136—07[10]的規(guī)定，所選用的CFRP層合板的材料為T300/環(huán)氧樹脂，尺寸為160 mm×100 mm，鋪層方案為[0°/90°/0°/90°/0°]s，鋼球質(zhì)量為64 g．由于鋼球剛度遠大于層合板剛度，因此筆者在建模中將鋼球定義為剛體．鋼球速度為鋼球與層合板表面剛接觸時的速度，通過改變沖擊速度來改變沖擊能量的大?。疀_擊鋼球材料參數(shù)如表1所示．T300/環(huán)氧樹脂層合板的參數(shù)如表2所示，表中，E1、E2表示各向彈性模量；Nu1為泊松比；G12、G13、G23為3個方向的剪切模量；Xt、Yt、Zt為3個方向的拉伸強度；Xc、Yc、Zc為3個方向的壓縮強度；S12、S23為縱向和橫向的剪切強度；Wxt、Wyt為縱向和橫向的拉伸斷裂能；Wxc、Wyc為縱向和橫向的壓縮斷裂能．

表1 鋼球的材料參數(shù)

表2 T300/環(huán)氧樹脂層合板的材料參數(shù)

不同沖擊能量下對應(yīng)的鋼球初始速度如表3所示．

表3 沖擊參數(shù)

在ABAQUS中對CFRP層合板和鋼球分別進行建模，由于低速沖擊過程中，沖擊鋼球變形很小，因此分析中將其設(shè)置成剛體．將鋼球和CFRP層合板模型進行裝配，形成一個完整的裝配體模型，為節(jié)省計算時間，此處將鋼球和層合板表面之間的距離設(shè)置成0(臨界接觸位置)，以便于分析時更快進入沖擊接觸狀態(tài)．將層合板的兩端進行約束，并在沖擊鋼球上施加一個垂直于層合板的初始速度，在分析中通過改變初始速度來進行不同沖擊能量下的分析．選用單元S4R和C3D4對層合板和沖擊鋼球進行網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格劃分模型如圖1所示．

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element analysis model

1.2 有限元分析結(jié)果

分析時選取0.1J、1.765 m/s的沖擊等級，設(shè)置分析時間為1 ms，觀察層合板在低速沖擊作用下的響應(yīng)過程．在ABAQUS中查看沖擊過程中應(yīng)力波在層合板中的傳播過程，選取典型時刻來分別查看0°層和90°層的應(yīng)力情況，如圖2所示．從圖2可以看到，應(yīng)力波在層合板內(nèi)部是沿著纖維方向進行傳播的．沖擊過程中系統(tǒng)的動能和內(nèi)能時間歷程曲線，如圖3所示．

圖2 應(yīng)力波傳播方向Fig.2 Direction of propagation of stress wave

圖3 沖擊過程中系統(tǒng)能量的時間歷程曲線Fig.3 Energy-Time curve during impact

沖擊過程中的系統(tǒng)動能來自于沖擊鋼球，因此圖3中的動能曲線所反映的是沖擊鋼球在沖擊過程中動能的變化．從圖3可以看到，動能曲線先下降到達一個谷底，然后上升，最后趨于平穩(wěn)，這表明:在1 ms的分析時間內(nèi)沖擊鋼球與層合板完成沖擊接觸．反映的實際情況是鋼球以一定沖擊速度與層合板表面接觸，在層合板的阻擋下，速度降低直至0，沖擊鋼球的動能轉(zhuǎn)化為層合板的內(nèi)能，隨后層合板內(nèi)能又轉(zhuǎn)化為鋼球的動能，從而使得沖擊鋼球反彈，最終與層合板脫離接觸．從動能曲線可以看出，曲線趨于穩(wěn)定后的動能要小于沖擊開始時候的動能，可知在沖擊接觸的過程中，層合板吸收了一部分的動能．

不同沖擊能量下，CFRP層合板中間層(ply-5)中的最大應(yīng)力值，如圖4所示．從圖4可以看出，在0.1 J～0.5 J范圍中，隨著沖擊能量的增加，層內(nèi)的最大應(yīng)力值呈增大趨勢．

圖4 不同能量下ply-5層中的最大應(yīng)力Fig.4 Mises in ply-5 under different impact energy

2 CFRP層合板低速沖擊實驗研究

2.1 CFRP層合板低速沖擊實驗

實驗件選用T300 12K碳纖維單向布作為纖維增強體，M03環(huán)氧樹脂作為基體，層合板尺寸為160 mm×100 mm，鋪層方案[0°/90°/0°/90°/0°]，將FBG傳感器沿著纖維方向埋置在中間層處，如圖5所示，光柵位置距板材中心10 mm．實驗件一共3個，如圖6所示．

圖5 FBG埋放位置Fig.5 The FBG embedding position

將1#實驗件的兩端固定，使層合板的幾何中心正對著沖擊鋼球的正下方；將FBG傳感器通過光纖跳線與解調(diào)儀相連，然后通過網(wǎng)線與電腦相連；打開解調(diào)儀軟件，觀察能否獲得FBG傳感器的波長信號，并記錄傳感器初始波長數(shù)據(jù)；最后將沖擊鋼球按照表4中編號1～5依次調(diào)整到對應(yīng)高度來對層合板進行沖擊，同時采集沖擊過程中的波長信號；按照同樣的方法完成其他兩個實驗件的沖擊，并保存波長信號.具體實驗參數(shù)見表4．

圖6 3組層合板實驗件Fig.6 Three pieces of laminate specimens

編號高度/m接觸時的速度/(m·s-1)沖擊能量/J1015917650120319250002304783090034063835360450797395205

2.2 實驗結(jié)果與分析

對FBG傳感器上采集的中心波長信號進行分析，光纖光柵解調(diào)儀的采樣頻率為4 000 Hz．圖7所示的是在0.1 J能量沖擊下,1#實驗件中的FBG傳感器中心波長的變化．

圖7 1#實驗件中FBG中心波長的變化Fig.7 Wavelength shift in FBGs embedded in specimen 1#

由圖7可知，在沖擊鋼球與層合板沖擊的瞬間，F(xiàn)BG傳感器的中心波長會出現(xiàn)一個峰值，波長峰值與初始波長的差值為波長偏移峰值，峰值過后，波長會出現(xiàn)回落．這表明在沖擊瞬間，沖擊點處的接觸力所產(chǎn)生的應(yīng)力波會引起了CFRP層合板內(nèi)部的微變形，當應(yīng)力波傳播到傳感器所埋置的位置時，這種微變形就會導(dǎo)致傳感器發(fā)生微應(yīng)變，從而使得FBG傳感器的中心波長發(fā)生偏移．這表明傳感器能夠準確的捕捉到瞬間的沖擊信號．

在0.1 J～0.5 J能量沖擊下，3個實驗件中的FBG傳感器的波長偏移峰值如圖8中所示．

圖8 3個實驗件波長偏移峰值Fig.8 Wavelength shift in FBGs embedded in 3 specimens

從圖8中可以得出，0.1 J～0.5 J范圍內(nèi)，隨著沖擊能量的增加，3個實驗件中傳感器波長偏移峰值均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，可見FBG傳感器中心波長的偏移峰值與沖擊能量的大小有關(guān)，F(xiàn)BG傳感器中心波長的偏移峰值能反映沖擊能量的大?。?/p>

根據(jù)FBG傳感器的原理[11]，在忽略溫度對光柵中心波長影響的情況下，F(xiàn)BG傳感器中心波長的偏移量與FBG傳感器布置點的應(yīng)力成正比，從圖8可以得出，隨著沖擊能量的增加，F(xiàn)BG傳感器中心波長偏移峰值增大，F(xiàn)BG傳感器布置點的層內(nèi)最大應(yīng)力值呈增大趨勢，從而驗證了圖4所得的結(jié)論．

實驗中1#、2#、3#實驗件在同種沖擊能量作用下，3個傳感器的波長偏移峰值出現(xiàn)了一定的差異，經(jīng)過分析，原因為3個實驗件自身質(zhì)量差異以及固化過程中存在殘余應(yīng)力．

3 結(jié)論

筆者將ABAQUS仿真和層合板低速沖擊響應(yīng)實驗結(jié)合分析得到以下結(jié)論：

(1)應(yīng)力波在層合板內(nèi)部是沿著纖維方向進行傳播的；

(2)埋置在CFRP層合板中的FBG傳感器能夠準確的捕捉到瞬間沖擊信號，隨著沖擊能量增加，層內(nèi)最大應(yīng)力值呈增大的趨勢，中心波長偏移峰值也隨之增大．中心波長偏移峰值的大小可以反映沖擊能量的大小，在層合板沒有受到損傷之前，波長偏移峰值越大，沖擊能量越大．

這為以后應(yīng)用FBG傳感器監(jiān)測CFRP低速沖擊損傷奠定基礎(chǔ)，為構(gòu)建FBG傳感網(wǎng)絡(luò)進行CFRP沖擊損傷判定提供依據(jù)．

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