李浩洋，陳滿意，童杏林*，張 翠，魏敬闖，何西琴，孫建波，耿東兵

(1.武漢理工大學(xué) 光纖傳感技術(shù)國家工程實驗室， 武漢 430070; 2.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 武漢 430070; 3.航天材料及工藝研究所，北京 100076)

引 言

隨著材料科學(xué)的高速發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber-reinforced polymer，CFRP)以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易于成型等優(yōu)點，在航空航天運(yùn)載器等尖端科技領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用[1-2]。但復(fù)合材料在成型過程及成型后溫度場變化過程中，由于材料的熱收縮、樹脂固化收縮等原因，在成型后會產(chǎn)生殘余應(yīng)變，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生形變、降低性能，嚴(yán)重時甚至影響構(gòu)件使用安全[3]，因此，需要一種可靠的方法對復(fù)合材料成型及服役過程的殘余應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。

目前測量復(fù)合材料殘余應(yīng)力/應(yīng)變的方法有兩大類，即無損檢測和有損檢測。有損檢測會對構(gòu)件造成損傷，而大多數(shù)無損檢測需以射線、光譜等為媒介進(jìn)行檢測，無法對整體殘余應(yīng)力/應(yīng)變的分布進(jìn)行檢測[4]。光纖光柵傳感技術(shù)作為新一代的智能傳感技術(shù)，具備質(zhì)量輕、尺寸小、抗電磁干擾、便于組網(wǎng)、可實現(xiàn)分布式傳感等諸多優(yōu)點，逐漸成為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料測量與監(jiān)測研究的熱點技術(shù)[5-7]。環(huán)形構(gòu)件作為一種典型件在航空航天領(lǐng)域有諸多應(yīng)用，但現(xiàn)有研究多采用該傳感技術(shù)進(jìn)行復(fù)合材料層合板的殘余應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測研究[8-10]，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘余應(yīng)變監(jiān)測也大多停留在曲面結(jié)構(gòu)的研究階段[11]，對環(huán)形構(gòu)件整體殘余應(yīng)變監(jiān)測的研究尚不充分。本文中通過表貼式光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)傳感陣列開展了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料環(huán)形構(gòu)件的表面殘余應(yīng)力時空變化特性研究，在完成熱壓罐成型工藝并工件出罐后對其殘余應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測。

1 原 理

1.1 光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)

圖1所示為光纖光柵傳感基本原理。當(dāng)光從FBG通過時，與布喇格相位條件相匹配的光會反射回去，剩余波分波長的光反射很微弱，因此大部分光繼續(xù)沿光纖向前傳輸，光纖布喇格光柵方程為：

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB為布喇格波長，neff為纖芯有效折射率，Λ為光柵周期。

Fig.1 Schematic diagram of FBG sensing

溫度和應(yīng)力變化會影響光柵纖芯折射率及光柵周期，從而導(dǎo)致光纖光柵中心波長的變化。當(dāng)光柵所處的環(huán)境溫度保持不變，僅受外力作用而產(chǎn)生軸向應(yīng)變時，中心波長變化量 ΔλB與應(yīng)變量ε的關(guān)系可表示為：

ΔλB=λB(1-Pe)ε=Kεε

(2)

式中，ΔλB為波長變化量，Pe為光纖材料的彈光系數(shù)，Kε為應(yīng)變靈敏度系數(shù)，對于普通石英光纖一般約為1.2pm/με[12-14]。

1.2 基于FBG的復(fù)合材料殘余應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)

近年來，隨著先進(jìn)復(fù)合材料使用量和使用范圍的增加，其成型后的殘余應(yīng)變釋放過程得到了越來越多的關(guān)注。復(fù)合材料在熱壓罐固化成型過程中及成型后，由于溫度變化會引起一系列復(fù)雜的熱化學(xué)物理過程，伴隨著殘余應(yīng)力的產(chǎn)生發(fā)生了構(gòu)件的形變。復(fù)合材料的纖維和樹脂之間，模具與構(gòu)件之間存在著熱膨脹系數(shù)的差異，再加上構(gòu)件由外部至內(nèi)部的尺寸以及熱傳導(dǎo)系數(shù)等因素造成了在成型過程中構(gòu)件存在著溫度的梯度分布。構(gòu)件成型后熱殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的材料的殘余應(yīng)變對復(fù)合材料構(gòu)件的后期質(zhì)量存在著不可忽略的影響[15]。

FBG不僅可用于實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件固化全程的在線監(jiān)測，在構(gòu)件服役后，還能夠監(jiān)測復(fù)合材料的健康狀態(tài)[16-17]。與其它類型的傳感器相比，F(xiàn)BG傳感器優(yōu)勢在于光纖的直徑較細(xì)，裸纖直徑僅有125μm，對被測構(gòu)件的干擾較小，其傳輸損耗很小，低于0.2dB/km，且不受電磁干擾，同時還具有優(yōu)異的抗化學(xué)腐蝕的能力[18]。樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件在固化成型后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生形變期間，材料表面的溫度、應(yīng)變等都在發(fā)生變化，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變傳感器無法剔除溫度對測量結(jié)果的影響，而利用FBG傳感器可同時實現(xiàn)應(yīng)變與溫度的監(jiān)測，實現(xiàn)對應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果的實時補(bǔ)償。所以，F(xiàn)BG傳感器是復(fù)合材料固化殘余應(yīng)變監(jiān)測的最佳選擇[19]。

2 實驗方法與結(jié)果

2.1 實驗方法

FBG碳纖維復(fù)合材料監(jiān)測系統(tǒng)主要由被測構(gòu)件、FBG傳感陣列、解調(diào)儀表、上位解調(diào)軟件組成。被測構(gòu)件為自動鋪絲技術(shù)制備的碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)形構(gòu)件，內(nèi)徑2m，高約700mm，構(gòu)件上下兩側(cè)分別帶有外翻法蘭邊，成型后支承方式為3個支點，每支點為面支撐，支承面為下側(cè)法蘭部位，監(jiān)測時間為構(gòu)件完成成型工藝并卸除模具后。如圖2所示，本實驗中根據(jù)構(gòu)件的尺寸采用4路FBG傳感陣列進(jìn)行監(jiān)測，其中3路傳感陣列沿構(gòu)件表面環(huán)向粘貼，一路傳感陣列沿構(gòu)件表面徑向粘貼測試，光柵陣列1和4分別對構(gòu)件上下兩測法蘭根部進(jìn)行監(jiān)測，光柵陣列2對構(gòu)件中間部位進(jìn)行環(huán)向監(jiān)測，光柵陣列3對構(gòu)件中間部位進(jìn)行軸向監(jiān)測，整個系統(tǒng)采用光柵波分復(fù)用技術(shù)對陣列中的每個FBG進(jìn)行定位，實時監(jiān)測構(gòu)件從熱壓罐取出后的應(yīng)力、應(yīng)變時空變化特性。

Fig.2 Composition of FBG monitoring system

為橫向?qū)Ρ韧画h(huán)面上不同位置的殘余應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，采用刻寫有7個測量點位的FBG陣列進(jìn)行監(jiān)測，其中6個點位為殘余應(yīng)力監(jiān)測點，相鄰間隔1m，第7個點為溫度補(bǔ)償點位。應(yīng)變測點固定方式采用兩端固定式，如圖3所示。該種方式由于只粘貼FBG兩端，光柵位置貼合于構(gòu)件表面，故不用考慮粘膠對應(yīng)變傳遞的影響，F(xiàn)BG感知的應(yīng)變即為構(gòu)件的應(yīng)變，能有效避免因膠粘劑粘貼不均勻?qū)е碌墓鈻胚爆F(xiàn)象，測量精度及一致性均較好[20]。同時溫度測點為避免FBG溫度/應(yīng)變的交叉敏感問題，采用如圖4所示的封裝方式用于進(jìn)行溫度測量及實時補(bǔ)償。

2.2 實驗結(jié)果

對各個光纖光柵波長數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過溫度補(bǔ)償光柵去除溫度對實驗數(shù)據(jù)的影響，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了降噪處理，光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.20pm/με。

2.2.1 上側(cè)法蘭根部監(jiān)測情況 如圖5所示，上側(cè)法蘭根部FBG 1由于布設(shè)原因誤差較大，其余5個測點波長漂移量趨勢整體一致，波長漂移量均處于40pm～90pm之間。各點位應(yīng)變分別為59.2με，69.2με，37.5με，31.7με，75.8με。

Fig.5 Residual strain monitoring curve of upper flange root

2.2.2 中間部位軸向監(jiān)測情況 如圖6所示，中間部位軸向監(jiān)測情況各光柵變化趨勢相比環(huán)向更加穩(wěn)定，結(jié)束監(jiān)測時波長漂移量均在60pm～110pm之間，殘余應(yīng)變變化量分別為49.6με，81.1με，69.5με，66.6με，88.5με，48.8με，一致性較好。

Fig.6 Axial residual strain monitoring curve of middle part

2.2.3 中間部位環(huán)向監(jiān)測情況 由圖7可知，中間部位環(huán)向殘余應(yīng)力存在兩種趨勢，光柵2、4、6處波長變化趨勢一致，應(yīng)變量分別為93.8με，80.2με，87.8με；而光柵1、3、5處波長變化量均不明顯。由于光柵1、3、5處分別對應(yīng)構(gòu)件支承位置，該位置支承力的約束對構(gòu)件變形起抑制作用，故整體變化量較?。欢鈻?、4、6處受力情況相對自由，表面殘余應(yīng)力釋放阻礙較小，造成了該環(huán)面殘余應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。

Fig.7 Circumferential residual strain monitoring curve of middle part

2.2.4 下側(cè)法蘭根部監(jiān)測情況 如圖8中的監(jiān)測結(jié)果顯示，下側(cè)法蘭根部殘余應(yīng)力變化趨勢無明顯規(guī)律。

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)實驗結(jié)果，上側(cè)法蘭根部與中間部位軸向監(jiān)測點位在整個歷程中的殘余應(yīng)變釋放量均處于30με～90με內(nèi)，一致性相對較強(qiáng)。在復(fù)合材料鋪絲及熱壓成型過程中，包括鋪絲壓力、成型溫度以及模具等多種因素均會影響構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而干擾材料變形情況。該構(gòu)件的殘余應(yīng)變波動處于合理范圍之內(nèi)。

Fig.8 Residual strain monitoring curve of lower flange root

中間部位環(huán)向監(jiān)測點位的應(yīng)變呈現(xiàn)兩種不同趨勢。由于FBG 1、FBG 3、FBG 5處分別位于構(gòu)件支承點上方，該位置支承力的約束對構(gòu)件變形起抑制作用，故整體變化量較?。籉BG 2、FBG 4、FBG 6處受力情況相對自由，表面殘余應(yīng)力釋放阻礙較小，造成了該環(huán)面殘余應(yīng)力分布不均勻的現(xiàn)象。

如圖9所示，由于在實驗中，光柵布置于法蘭根部的過渡圓角處，在構(gòu)件成型過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成型后該處不僅有環(huán)向殘余應(yīng)變釋放，軸向殘余應(yīng)變還可能導(dǎo)致光纖局部受壓，故造成了各個監(jiān)測點位殘余應(yīng)變變化情況各異的現(xiàn)象。由圖8可知，下側(cè)法蘭根部殘余應(yīng)力變化趨勢無明顯規(guī)律。由于在實驗中，光柵布置于法蘭根部的過渡圓角處，在構(gòu)件成型過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成型后該處不僅有環(huán)向殘余應(yīng)變釋放，軸向殘余應(yīng)變還可能導(dǎo)致光纖局部受壓，故造成了各個監(jiān)測點位殘余應(yīng)力變化情況各異的現(xiàn)象。

Fig.9 Stress of optical fiber at the root of lower flange

通過前3組監(jiān)測結(jié)果說明，構(gòu)件支承方式對材料成型后殘余應(yīng)變釋放影響較大。這種抑制殘余應(yīng)變釋放的現(xiàn)象會使構(gòu)件變形及應(yīng)力不均勻性更為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致成型件尺寸發(fā)生進(jìn)一步變化，降低其疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕等力學(xué)性能，而對構(gòu)件成型質(zhì)量造成的影響亟需進(jìn)一步研究。本實驗中利用光纖光柵應(yīng)變傳感器的準(zhǔn)分布式測量，實現(xiàn)了對碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料環(huán)形構(gòu)件殘余應(yīng)力釋放情況的空間分布實時監(jiān)測，從而對構(gòu)件成型過程的變形狀況進(jìn)行把控調(diào)整。

在各個位置監(jiān)測曲線中，在相同時刻均存在波長漂移量的局部尖峰。通過比對溫補(bǔ)光柵在監(jiān)測歷程中的波長變化曲線，發(fā)現(xiàn)在每個波長波動時刻，對應(yīng)的溫補(bǔ)光柵波長同樣有劇烈波動。推測是由于構(gòu)件環(huán)境溫度短時間變化而溫補(bǔ)光柵的補(bǔ)償作用無法匹配溫度改變速度而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)波動。

3 仿真分析

為進(jìn)一步驗證FBG測量數(shù)據(jù)的可靠性，本文中利用ABAQUS軟件構(gòu)建了環(huán)形構(gòu)件在工件出罐后降溫過程中表面殘余應(yīng)力的變化的有限元模型。該有限元模型包括傳熱分析和力學(xué)分析兩大模塊，二者順序耦合，傳熱分析是基于傅里葉熱傳導(dǎo)定律和能量平衡關(guān)系，并借助子程序求解得到溫度場；將傳熱模塊的分析結(jié)果作為初始條件導(dǎo)入力學(xué)分析中，得到相應(yīng)的熱應(yīng)變。

由于環(huán)形構(gòu)件屬于軸對稱模型，故在仿真過程中為簡化計算，僅取構(gòu)件截面的部分矩形2維模型進(jìn)行順序耦合熱應(yīng)力分析。

仿真過程中材料參量參考T700碳纖維，熱傳導(dǎo)分析中使用預(yù)定義場設(shè)置各節(jié)點初始溫度為180℃，并在模型上邊緣設(shè)置外溫為15℃的熱交換條件，熱對流系數(shù)為20W/(m2·K)，可以得到如圖10所示的溫度分布結(jié)果。

Fig.10 Node temperature distribution in each time period

可以看到,由材料外表面到材料內(nèi)部，因不同位置的熱邊界條件不同，不同深度的材料傳熱不均勻，成型反應(yīng)存在明顯溫度梯度分布，導(dǎo)致材料除了釋放的熱應(yīng)力還殘留著一部分殘余應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)部，最終材料為平衡這部分殘余應(yīng)力會發(fā)生相應(yīng)的殘余應(yīng)變。

將上述傳熱分析中模型的溫度場時間變化歷程以預(yù)定義場的形式導(dǎo)入力學(xué)分析，作為應(yīng)力應(yīng)變分析的初始條件，將邊界條件設(shè)置為對稱邊界條件，網(wǎng)格屬性設(shè)置為軸對稱應(yīng)力網(wǎng)格，分析步設(shè)置為通用分析步，通過作業(yè)功能模塊進(jìn)行分析求解。

由圖11～圖13中的仿真分析結(jié)果可知，仿真建立的模型表面應(yīng)力變化趨勢與FBG傳感陣列中間部位軸向監(jiān)測結(jié)果有較高的一致性。

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，構(gòu)件表面殘余應(yīng)力隨時間延長而逐漸減小，溫度越低減小得越慢。整個歷程中模型外表面殘余應(yīng)變變化量為11.33MPa，代入胡克定律：

Fig.11 Maximum stress state of each node of section

Fig.12 Curve of surface temperature by time history

Fig.13 Curve of surface residual stress by time history

σ=E·ε

(3)

式中，E為材料模量，σ為材料表面應(yīng)變。計算得到該歷程中模型表面殘余應(yīng)變大小為47.10με。

對比分析可知，仿真得到的殘余應(yīng)變值與監(jiān)測結(jié)果的30με～90με相近。由于該仿真結(jié)果只模擬了構(gòu)件由固化溫度下降到室溫時材料內(nèi)部溫度梯度的不均勻分布所產(chǎn)生的宏觀殘余應(yīng)力，沒有模擬構(gòu)件內(nèi)部纖維與樹脂熱膨脹系數(shù)不匹配以及樹脂由于化學(xué)收縮等造成的微觀殘余應(yīng)力，故造成了仿真結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的差異?？傮w來說，仿真結(jié)果一定程度上證實了監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

4 結(jié) 論

本文中通過光纖光柵傳感陣列對碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料環(huán)形構(gòu)件熱壓成型后的表面殘余應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測，分析了環(huán)形構(gòu)件不同位置殘余應(yīng)變的分布情況及其變化規(guī)律，其中上側(cè)法蘭根部環(huán)向殘余應(yīng)變及中間段軸向殘余應(yīng)變變化趨勢較穩(wěn)定，整個歷程應(yīng)變量在30με～90με范圍內(nèi)，與仿真結(jié)果趨于一致；中間段環(huán)向殘余應(yīng)變由于構(gòu)件支承力的約束作用，導(dǎo)致靠近支承點的位置殘余應(yīng)變釋放緩慢，遠(yuǎn)離支承點的位置釋放情況正常；而下側(cè)法蘭根部由于內(nèi)部殘余應(yīng)變情況復(fù)雜、支承力的約束、構(gòu)件形變等多方面因素，導(dǎo)致監(jiān)測曲線無明顯規(guī)律。結(jié)果表明，光纖光柵傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)形構(gòu)件成型后殘余應(yīng)力釋放階段表面不同位置、不同方向的殘余應(yīng)變進(jìn)行同時在線監(jiān)測，并可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料構(gòu)件的殘余應(yīng)變釋放情況進(jìn)行分析，實現(xiàn)對異常狀況的監(jiān)測與預(yù)警。