胡雪雯 張澤敏 郭智 周康鵬 孫廣開

(1 北京信息科技大學(xué) 光電信息與儀器北京市工程研究中心,北京 100016) (2 北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192) (3 北京空間機(jī)電研究所,北京 100094) (4 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津 300072)

高分辨率遙感衛(wèi)星是國家重點(diǎn)發(fā)展的高端航天裝備,在軍事偵察、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、氣象預(yù)測、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。為保證遙感衛(wèi)星的探測性能,采用具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料來制造承力結(jié)構(gòu)、次級結(jié)構(gòu)以及其他功能結(jié)構(gòu)[1-2]。碳纖維復(fù)合材料受空間冷熱交變載荷作用會產(chǎn)生應(yīng)變和變形,影響結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性,進(jìn)而影響遙感衛(wèi)星探測成像質(zhì)量和定位精度[3-4]。因此,采取有效措施監(jiān)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變,并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋控制,對保障遙感衛(wèi)星性能穩(wěn)定具有關(guān)鍵作用,同時在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)也為材料輕量化設(shè)計和結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化提供重要依據(jù)。

光纖傳感器因具有輕量化、高靈敏度、抗電磁干擾以及易于分布式組網(wǎng)等優(yōu)勢,成為航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要方法之一[5-6]。國內(nèi)外在遙感衛(wèi)星結(jié)構(gòu)光纖監(jiān)測方面開展了一定的前期研究工作。例如:文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了分布式全光纖光柵系統(tǒng),監(jiān)測衛(wèi)星蜂窩夾芯復(fù)合材料板在受到?jīng)_擊損傷時的響應(yīng)信號。文獻(xiàn)[8]建立了熱塑性纏繞的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型,基于ANSYS的有限元模型對熱傳遞過程進(jìn)行仿真,分析了纏繞過程中鋪層溫度的變化情況。文獻(xiàn)[9]在鑄鋁件中嵌入光纖布拉格光柵,監(jiān)測其在熱載荷作用下的應(yīng)變。文獻(xiàn)[10]將單個傾斜光纖布拉格光柵嵌入玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板中,監(jiān)測結(jié)構(gòu)固化過程中引起的熱力學(xué)變化。但是目前對層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變的光纖監(jiān)測研究仍然較少,對復(fù)合材料熱應(yīng)變特點(diǎn)及其光纖傳感特性缺乏必要的研究。

本文針對層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變光纖傳感特性進(jìn)行研究,利用有限仿真模擬T700級碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板熱應(yīng)變變化規(guī)律,并以7075鋁合金板為對照。實(shí)驗驗證了光纖監(jiān)測復(fù)合材料層壓板熱應(yīng)變的有效性和精度,為高分辨率遙感衛(wèi)星層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變在軌監(jiān)測提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 復(fù)合材料熱應(yīng)變有限元仿真

1.1 熱應(yīng)變有限元仿真模型

用ANSYS有限元仿真軟件構(gòu)建層狀復(fù)合材料模型,復(fù)合材料由增強(qiáng)碳纖維束和環(huán)氧樹脂基體組成,纖維體積分?jǐn)?shù)為50%,纖維直徑7μm。層壓板結(jié)構(gòu)尺寸為600mm×600mm×1mm,層合板自下而上鋪8層,單層厚度為0.125mm,鋪層角度分別為0°、90°、0°、90°、90°、0°、90°、0°,結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層合板鋪層結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of laminate layering structure model

1.2 熱應(yīng)變有限元仿真參數(shù)

選擇T700碳纖維/環(huán)氧樹脂為研究對象,并設(shè)置7075鋁合金為對照組。查閱文獻(xiàn)資料[11-13],T700碳纖維、環(huán)氧樹脂和7075鋁合金的基本熱物性參數(shù)如表1所示,其中X方向表示平行纖維鋪層方向,Y方向表示垂直纖維鋪層方向,Z方向表示垂直XY平面的厚度方向。

表1 有限元仿真材料熱物性參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of finite element simulation materials

2 實(shí)驗原理及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光纖光柵溫度-應(yīng)變解耦

光纖光柵(Fiber Bragg grating,FBG)傳感器應(yīng)用于遙感衛(wèi)星時通常同時受到溫度和應(yīng)變作用,產(chǎn)生交叉敏感信號。溫度與應(yīng)變交叉耦合變化引起的光纖光柵反射中心波長相對偏移量表達(dá)式為

Δλ=KεΔε+KTΔT

(1)

式中:Δλ為中心波長的偏移量;Kε為應(yīng)變靈敏度系數(shù);KT為溫度靈敏度系數(shù);Δε,ΔT分別為應(yīng)變與溫度的變化量。

目前主要采用的溫度與應(yīng)變解耦的方法有兩類,一類是溫度和應(yīng)變同時測量,另一類是溫度補(bǔ)償法,主要包括溫度參考光柵法和溫度補(bǔ)償封裝法[14-15]。根據(jù)研究需要選擇溫度參考光柵法進(jìn)行溫度與應(yīng)變解耦。溫度參考光柵法操作較為簡單方便,只需在同一溫度環(huán)境下布設(shè)一個與應(yīng)變傳感光柵材料參數(shù)相同的溫度參考光柵僅用于測量溫度變化即可。溫度和應(yīng)變傳感方程為

(2)

式中:ΔλT、Δλε分別為FBG溫度傳感器和FBG應(yīng)變傳感器的波長漂移量。

由上述公式計算可得FBG傳感器測量的溫度值和應(yīng)變值為

(3)

2.2 光纖監(jiān)測實(shí)驗系統(tǒng)設(shè)計

被測試件選用T700級碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板,結(jié)構(gòu)尺寸為600mm×600mm×1mm,薄板底部中心150mm×150mm區(qū)域粘貼加熱片和Pt100溫度傳感器。在層壓板頂部粘貼3個FBG傳感器,FBG1用于測溫,FBG2和FBG3分別用于測量X方向(即平行纖維方向)以及Y方向(即垂直纖維方向)的應(yīng)變。光纖布局設(shè)計如圖2(a)所示。采用相同尺寸的7075鋁合金板作為對比試件,底部相同位置粘貼加熱片和Pt100傳感器用于溫度控制與測量。由于鋁合金板是各向同性材料,在頂部加熱區(qū)域中心處粘貼2個FBG傳感器,分別用于應(yīng)變和溫度測量。

光纖監(jiān)測實(shí)驗系統(tǒng)主要由鋁合金框架搭建的實(shí)驗平臺、復(fù)合材料層壓板、光纖傳感器、解調(diào)儀、溫控器和計算機(jī)組成,如圖2(b)所示。復(fù)合材料層壓板頂部中心區(qū)域粘貼3個光纖傳感器用于測量溫度、應(yīng)變信息。底部中心粘貼加熱片和Pt100溫度傳感器,采用精度為0.01℃的薩妮SLD70溫控器進(jìn)行溫度控制。以室溫(25℃)為初始溫度,從30℃開始以10℃為步進(jìn)升溫至100℃,當(dāng)溫控器示數(shù)趨于穩(wěn)定時,采用解調(diào)頻率為1Hz的旭峰光電48通道光纖光柵解調(diào)儀采集某一溫度對應(yīng)的FBG中心波長,并將數(shù)據(jù)存儲到計算機(jī)上便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

注:①為FBG1;②為FBG2;③為FBG3;④為FBG解調(diào)儀;⑤為溫控器;⑥為計算機(jī)。圖2 光纖監(jiān)測實(shí)驗系統(tǒng)設(shè)計Fig.2 Design of optical fiber monitoring experiment system

3 結(jié)果與討論

3.1 熱場測量結(jié)果與分析

在復(fù)合材料層壓板中心150mm×150mm區(qū)域施加熱載荷,初始溫度為25℃,從30℃開始以10℃為增量設(shè)置載荷步,最高溫度為100℃。對鋁合金板進(jìn)行相同的載荷設(shè)置作為對照組。仿真的熱場分布云圖如圖3所示。

圖3 有限元仿真熱場分布云圖Fig.3 Distribution nephogram of temperature field in finite element simulation

由圖3可知,兩種材料結(jié)構(gòu)的熱場分布具有對稱性,以復(fù)合材料層壓板和鋁合金板結(jié)構(gòu),“1”為起始點(diǎn)“2”為終點(diǎn)的沿X方向路徑提取不同位置的溫度數(shù)據(jù),其結(jié)果如圖4(a)所示。復(fù)合材料層壓板的溫度主要集中在225～375mm的加熱區(qū)域,其他區(qū)域溫度無明顯變化即為室溫25℃。由于鋁合金材料導(dǎo)熱系數(shù)大、散熱快,熱量在100～500mm區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散。有限元仿真熱場分布曲線如圖4(b),(c)所示。

由仿真結(jié)果可知復(fù)合材料層壓板加熱區(qū)域溫度較高,實(shí)驗選用FBG和Pt100溫度傳感器測量加熱區(qū)域中心點(diǎn)溫度。實(shí)驗采用精度為0.01℃的薩妮SLD70溫控器測量Pt100的溫度,測量過程中溫度有所波動,因此選擇保留一位小數(shù)。根據(jù)解調(diào)儀多次采集的FBG中心波長數(shù)據(jù)計算光纖測量得到溫度平均值,以Pt100溫度傳感器的測量值作為溫度測量的基準(zhǔn)值,計算光纖測量溫度的誤差。溫度測量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 有限元仿真熱場分布曲線Fig.4 Temperature field distribution curve of finite element simulation

由表2可知,在30～100℃范圍內(nèi),FBG溫度傳感器在復(fù)合材料層壓板上溫度測量的最大誤差為3.00%,平均相對誤差為1.98%。在鋁合金板上溫度測量的最大誤差為2.10%,平均相對誤差為1.63%。

表2 FBG與Pt100的溫度測量值對比Table 2 Comparison of temperature measurements between FBG and Pt100

實(shí)驗分別用Pt100溫度傳感器以及溫度參考光柵FBG1測量兩種不同材料在局部熱載荷作用下的溫度變化情況,溫度擬合曲線如圖5所示。

圖5 兩種材料測量溫度的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of the measured temperature of two materials

由圖5可知FBG和Pt100兩種溫度傳感器測量值具有良好的一致性,線性度均大于0.999。數(shù)據(jù)表明FBG溫度測量精度高,可用于光纖熱應(yīng)變測量時溫度與應(yīng)變解耦。

3.2 熱應(yīng)變測量結(jié)果與分析

復(fù)合材料層壓板仿真結(jié)構(gòu)邊界約束條件設(shè)置為四邊固定,并導(dǎo)入3.1節(jié)中生成的瞬態(tài)溫度場,仿真計算得到的層壓板應(yīng)變場分布云圖如圖6所示。對鋁合金板進(jìn)行相同設(shè)置作為對照組,仿真得到鋁合金板應(yīng)變場分布云圖如圖7所示。

圖6 復(fù)合材料層壓板有限元仿真應(yīng)變云圖Fig.6 Strain nephogram of carbon fiber board finite element simulation

由圖6可知,復(fù)合材料層壓板受熱膨脹中心區(qū)域應(yīng)變值最大,四邊固定對平板的擠壓產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。復(fù)合材料是各向異性材料,100℃時X和Y方向受熱膨脹的應(yīng)變值分別為154.71με、180.44με。由圖7可知,由于鋁合金是各向同性材料,因此X和Y方向受熱膨脹的應(yīng)變值均為502.52με。

圖7 鋁合金板有限元仿真應(yīng)變云圖Fig.7 Strain nephogram of aluminum alloy plate finite element simulation

如圖8(a)所示,以A1為起點(diǎn)A2為終點(diǎn)沿X軸方向提取橫向不同距離的應(yīng)變數(shù)據(jù),以B1為起點(diǎn)B2為終點(diǎn)沿Y軸方向提取縱向不同位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)。在30～100℃碳纖維板的應(yīng)變隨溫度升高而增大,應(yīng)變主要集中在225～375mm的加熱區(qū)域,且Y方向的應(yīng)變大于X方向的應(yīng)變。而鋁合金各向同性X方向和Y方向應(yīng)變相同,且中心區(qū)域受熱膨脹引起的應(yīng)變由中心向四周遞減,主要集中在150～450mm區(qū)域。有限元仿真應(yīng)變場分布曲線如圖8所示。

根據(jù)有限元應(yīng)變場仿真結(jié)果,采用2.2節(jié)的實(shí)驗裝置,將光纖應(yīng)變傳感器FBG2、FBG3用CC-33A膠水分別粘貼在平行纖維方向和垂直纖維方向,并用光纖解調(diào)儀采集不同溫度下的FBG傳感器中心波長數(shù)據(jù)。利用溫度參考光柵FBG1進(jìn)行溫度-應(yīng)變解耦,計算得到加熱區(qū)域中心點(diǎn)處X方向(即平行纖維方向)、Y方向(即垂直纖維方向)的應(yīng)變測量值,由于鋁合金各向同性只需沿一個方向粘貼光纖應(yīng)變傳感器FBG2測量應(yīng)變值即可。FBG應(yīng)變傳感器測量數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8 有限元仿真應(yīng)變場分布曲線Fig.8 Field strain distribution curve of finite element simulation

由表3可知,實(shí)驗測得復(fù)合材料層壓板測量的100℃沿纖維軸向和徑向應(yīng)變分別為155.8με、181.3με。以仿真應(yīng)變值為基準(zhǔn)計算相對誤差,30℃時軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變最大相對誤差為3.67%、3.91%,平均相對誤差分別為1.58%、1.52%。鋁合金板測量的最大應(yīng)變?yōu)?98.7με,50℃時最大相對誤差為2.55%,平均相對誤差為1.41%。

用FBG應(yīng)變傳感器測量復(fù)合材料層壓板和鋁合金板在局部熱載荷作用下的應(yīng)變變化,熱應(yīng)變隨溫度變化曲線如圖9所示。由圖9可知,在30～100℃溫度范圍內(nèi),復(fù)合材料層壓板和鋁合金板仿真和實(shí)驗測量的熱應(yīng)變隨溫度升高而增大,而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熱應(yīng)變具有各向異性特征,X方向應(yīng)變小于Y方向應(yīng)變。層壓板X和Y方向應(yīng)變仿真值與實(shí)測值的重復(fù)性誤差為1.12%、1.09%,鋁合金板應(yīng)變仿真值與實(shí)測值的重復(fù)性誤差為1.04%。

表3 FBG熱應(yīng)變測量值與仿真模擬值對比Table 3 Comparison of FBG thermal strain measurements with simulated values

圖9 兩種材料的熱應(yīng)變-溫度變化及誤差曲線Fig.9 Thermal strain-temperature curves and error curves of two materials

4 結(jié)論

(1)層狀碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)廣泛用于高分辨率遙感衛(wèi)星關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造,此類結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變隨溫度升高而近似線性增加,同一溫度下其熱應(yīng)變量顯著低于鋁合金結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變量,主要原因是碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)比鋁合金的小一個量級。當(dāng)溫度從30℃升高至100℃時,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)軸向和徑向熱應(yīng)變量分別比鋁合金結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變量小342.9με、317.4με。

(2)在局部熱載荷作用下,層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變分別呈現(xiàn)各向異性特征。100℃時光纖光柵測量復(fù)合材料結(jié)構(gòu)軸向和徑向應(yīng)變分別為155.8με、181.3με,平均相對誤差分別為1.58%、1.52%。實(shí)驗驗證了溫度參考光柵法用于光纖溫度與應(yīng)變解耦具有可行性。

(3)利用光纖光柵傳感器和溫度參考光柵熱解耦法可以有效測量層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變,但由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)變量小,常規(guī)的光纖光柵通常只能達(dá)到微應(yīng)變級的測量精度,難以滿足更小應(yīng)變的測量需求。需要研究具有更高靈敏度、更高精度的熱應(yīng)變光纖測量技術(shù),以滿足高分辨率遙感衛(wèi)星復(fù)合材料結(jié)構(gòu)納級應(yīng)變在軌高精度測量需求。