基于树脂基碳纤维智能材料的板结构应变监测研究

• 作 者: 孔刘林
• 机 构: 武汉理工大学
• 出 处: 武汉理工大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 树脂基碳纤维智能材料 板结构 力阻效应 应变监测 遗传算法

本课题是在国家自然科学基金资助项目“基于核安全壳应力监测的复合敏感层传感机理及其成像”（项目编号50878169）的资助下，以监测结构的服役状态为目的，分别研究了树脂基碳纤维智能条在单向应变和平面应变作用下的力阻效应，并利用其力阻效应监测结构平面应力应变状态，实现了“点”的应变检测，进一步建立了基于遗传算法的碳纤维智能层ERT反演，从而实现对结构的全域健康监测。　　
具体的研究内容及成果有:　　
(1)对比研究了碳纤维智能条在单向拉伸与单向应变（均沿碳纤维智能条轴向）作用下的力阻效应，结果表明，在轴向应变大小相同的情况，单向应力作用下引起的电阻变化率（在应变相同情况下即力阻效应灵敏系数）要比单向应变作用的大。结果表明轴向应变与横向应变均引起试样树脂基碳纤维智能材料的力阻效应，其作用机理是应变改变相邻碳纤维的搭接程度，导致其电阻的变化。　　
(2)对比研究了碳纤维智能条仅受有沿轴向的应变与沿横向的应变作用下的力阻效应，结果表明，在相同大小应变作用下，横向应变作用引起的相对电阻变化率比轴向应变作用引起的大，横向应变主要引起相邻碳纤维之间的接触电阻变化。说明横向应变也是引起碳纤维智能层电阻变化的主要因素之一。　　
(3)基于碳纤维智能条良好的传感特性和导电性，将其双向敷设在玻璃钢板构的表面来监测其结构应变。以四角点简支玻璃钢板为例，在玻璃钢板任意处单调加载，标定碳纤维智能条表面电阻系数;在此基础上，对中心循环加载的工况进行应变检测，由碳纤维智能条监测计算得出的应变和用应变片检测的应变大小吻合很好，表明碳纤维智能条检测点的应变是可行的。　　
(4)编制了基于遗传算法的碳纤维智能层ERT反演系统程序。ERT反演系统由正演问题和反演问题两部分构成，其中正问题在ANSYS有限元软件中求解，其所得周边电压值作为反问题的目标函数;反问题运用遗传算法，并利用Matlab调用ANSYS计算，从而得到智能层的电阻率分布，其电阻率的分布能真实的反应结构的应变。结果表明本文研制的基于遗传算法的碳纤维智能层ERT反演系统应用于碳纤维智能层在复杂应变状态下的监测是可行的。　　
(5)从麦克斯韦方程和能量场变分原理出发，理论上进行了电阻率转化为向量场的研究，建立电阻率标量场响应与结构应变场向量之间的物理数学模型。进一步理论研究了复杂应力作用下由复合敏感层电阻率标量场求解应变向量场的反演方法。