层状碳纤维复合材料结构热应变光纤传感特性研究

胡雪雯 张泽敏 郭智 周康鹏 孙广开

(1 北京信息科技大学 光电信息与仪器北京市工程研究中心,北京 100016) (2 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院,北京 100192) (3 北京空间机电研究所,北京 100094) (4 天津大学 精密仪器与光电子工程学院,天津 300072)

高分辨率遥感卫星是国家重点发展的高端航天装备,在军事侦察、农业估产、气象预测、防灾减灾等领域具有重要应用。为保证遥感卫星的探测性能,采用具有质量轻、强度高、抗电磁干扰等优点的复合材料来制造承力结构、次级结构以及其他功能结构[1-2]。碳纤维复合材料受空间冷热交变载荷作用会产生应变和变形,影响结构力学稳定性,进而影响遥感卫星探测成像质量和定位精度[3-4]。因此,采取有效措施监测复合材料结构热应变,并根据监测数据进行反馈控制,对保障遥感卫星性能稳定具有关键作用,同时在轨监测数据也为材料轻量化设计和结构性能优化提供重要依据。

光纤传感器因具有轻量化、高灵敏度、抗电磁干扰以及易于分布式组网等优势,成为航天器结构健康监测的主要方法之一[5-6]。国内外在遥感卫星结构光纤监测方面开展了一定的前期研究工作。例如:文献[7]构建了分布式全光纤光栅系统,监测卫星蜂窝夹芯复合材料板在受到冲击损伤时的响应信号。文献[8]建立了热塑性缠绕的热传导数学模型,基于ANSYS的有限元模型对热传递过程进行仿真,分析了缠绕过程中铺层温度的变化情况。文献[9]在铸铝件中嵌入光纤布拉格光栅,监测其在热载荷作用下的应变。文献[10]将单个倾斜光纤布拉格光栅嵌入玻璃纤维/环氧树脂复合材料板中,监测结构固化过程中引起的热力学变化。但是目前对层状复合材料结构热应变的光纤监测研究仍然较少,对复合材料热应变特点及其光纤传感特性缺乏必要的研究。

本文针对层状复合材料结构热应变光纤传感特性进行研究,利用有限仿真模拟T700级碳纤维增强复合材料层压板热应变变化规律,并以7075铝合金板为对照。实验验证了光纤监测复合材料层压板热应变的有效性和精度,为高分辨率遥感卫星层状复合材料结构热应变在轨监测提供技术基础。

1 复合材料热应变有限元仿真

1.1 热应变有限元仿真模型

用ANSYS有限元仿真软件构建层状复合材料模型,复合材料由增强碳纤维束和环氧树脂基体组成,纤维体积分数为50%,纤维直径7μm。层压板结构尺寸为600mm×600mm×1mm,层合板自下而上铺8层,单层厚度为0.125mm,铺层角度分别为0°、90°、0°、90°、90°、0°、90°、0°,结构模型如图1所示。

图1 层合板铺层结构模型示意图Fig.1 Schematic diagram of laminate layering structure model

1.2 热应变有限元仿真参数

选择T700碳纤维/环氧树脂为研究对象,并设置7075铝合金为对照组。查阅文献资料[11-13],T700碳纤维、环氧树脂和7075铝合金的基本热物性参数如表1所示,其中X方向表示平行纤维铺层方向,Y方向表示垂直纤维铺层方向,Z方向表示垂直XY平面的厚度方向。

表1 有限元仿真材料热物性参数Table 1 Thermal physical parameters of finite element simulation materials

2 实验原理及系统设计

2.1 光纤光栅温度-应变解耦

光纤光栅(Fiber Bragg grating,FBG)传感器应用于遥感卫星时通常同时受到温度和应变作用,产生交叉敏感信号。温度与应变交叉耦合变化引起的光纤光栅反射中心波长相对偏移量表达式为

Δλ=KεΔε+KTΔT

(1)

式中:Δλ为中心波长的偏移量;Kε为应变灵敏度系数;KT为温度灵敏度系数;Δε,ΔT分别为应变与温度的变化量。

目前主要采用的温度与应变解耦的方法有两类,一类是温度和应变同时测量,另一类是温度补偿法,主要包括温度参考光栅法和温度补偿封装法[14-15]。根据研究需要选择温度参考光栅法进行温度与应变解耦。温度参考光栅法操作较为简单方便,只需在同一温度环境下布设一个与应变传感光栅材料参数相同的温度参考光栅仅用于测量温度变化即可。温度和应变传感方程为

(2)

式中:ΔλT、Δλε分别为FBG温度传感器和FBG应变传感器的波长漂移量。

由上述公式计算可得FBG传感器测量的温度值和应变值为

(3)

2.2 光纤监测实验系统设计

被测试件选用T700级碳纤维增强复合材料层压板,结构尺寸为600mm×600mm×1mm,薄板底部中心150mm×150mm区域粘贴加热片和Pt100温度传感器。在层压板顶部粘贴3个FBG传感器,FBG1用于测温,FBG2和FBG3分别用于测量X方向(即平行纤维方向)以及Y方向(即垂直纤维方向)的应变。光纤布局设计如图2(a)所示。采用相同尺寸的7075铝合金板作为对比试件,底部相同位置粘贴加热片和Pt100传感器用于温度控制与测量。由于铝合金板是各向同性材料,在顶部加热区域中心处粘贴2个FBG传感器,分别用于应变和温度测量。

光纤监测实验系统主要由铝合金框架搭建的实验平台、复合材料层压板、光纤传感器、解调仪、温控器和计算机组成,如图2(b)所示。复合材料层压板顶部中心区域粘贴3个光纤传感器用于测量温度、应变信息。底部中心粘贴加热片和Pt100温度传感器,采用精度为0.01℃的萨妮SLD70温控器进行温度控制。以室温(25℃)为初始温度,从30℃开始以10℃为步进升温至100℃,当温控器示数趋于稳定时,采用解调频率为1Hz的旭峰光电48通道光纤光栅解调仪采集某一温度对应的FBG中心波长,并将数据存储到计算机上便于后续数据处理。

注:①为FBG1;②为FBG2;③为FBG3;④为FBG解调仪;⑤为温控器;⑥为计算机。图2 光纤监测实验系统设计Fig.2 Design of optical fiber monitoring experiment system

3 结果与讨论

3.1 热场测量结果与分析

在复合材料层压板中心150mm×150mm区域施加热载荷,初始温度为25℃,从30℃开始以10℃为增量设置载荷步,最高温度为100℃。对铝合金板进行相同的载荷设置作为对照组。仿真的热场分布云图如图3所示。

图3 有限元仿真热场分布云图Fig.3 Distribution nephogram of temperature field in finite element simulation

由图3可知,两种材料结构的热场分布具有对称性,以复合材料层压板和铝合金板结构,“1”为起始点“2”为终点的沿X方向路径提取不同位置的温度数据,其结果如图4(a)所示。复合材料层压板的温度主要集中在225～375mm的加热区域,其他区域温度无明显变化即为室温25℃。由于铝合金材料导热系数大、散热快,热量在100～500mm区域内扩散。有限元仿真热场分布曲线如图4(b),(c)所示。

由仿真结果可知复合材料层压板加热区域温度较高,实验选用FBG和Pt100温度传感器测量加热区域中心点温度。实验采用精度为0.01℃的萨妮SLD70温控器测量Pt100的温度,测量过程中温度有所波动,因此选择保留一位小数。根据解调仪多次采集的FBG中心波长数据计算光纤测量得到温度平均值,以Pt100温度传感器的测量值作为温度测量的基准值,计算光纤测量温度的误差。温度测量数据如表2所示。

图4 有限元仿真热场分布曲线Fig.4 Temperature field distribution curve of finite element simulation

由表2可知,在30～100℃范围内,FBG温度传感器在复合材料层压板上温度测量的最大误差为3.00%,平均相对误差为1.98%。在铝合金板上温度测量的最大误差为2.10%,平均相对误差为1.63%。

表2 FBG与Pt100的温度测量值对比Table 2 Comparison of temperature measurements between FBG and Pt100

实验分别用Pt100温度传感器以及温度参考光栅FBG1测量两种不同材料在局部热载荷作用下的温度变化情况,温度拟合曲线如图5所示。

图5 两种材料测量温度的拟合曲线Fig.5 Fitting curve of the measured temperature of two materials

由图5可知FBG和Pt100两种温度传感器测量值具有良好的一致性,线性度均大于0.999。数据表明FBG温度测量精度高,可用于光纤热应变测量时温度与应变解耦。

3.2 热应变测量结果与分析

复合材料层压板仿真结构边界约束条件设置为四边固定,并导入3.1节中生成的瞬态温度场,仿真计算得到的层压板应变场分布云图如图6所示。对铝合金板进行相同设置作为对照组,仿真得到铝合金板应变场分布云图如图7所示。

图6 复合材料层压板有限元仿真应变云图Fig.6 Strain nephogram of carbon fiber board finite element simulation

由图6可知,复合材料层压板受热膨胀中心区域应变值最大,四边固定对平板的挤压产生的应变为负值。复合材料是各向异性材料,100℃时X和Y方向受热膨胀的应变值分别为154.71με、180.44με。由图7可知,由于铝合金是各向同性材料,因此X和Y方向受热膨胀的应变值均为502.52με。

图7 铝合金板有限元仿真应变云图Fig.7 Strain nephogram of aluminum alloy plate finite element simulation

如图8(a)所示,以A1为起点A2为终点沿X轴方向提取横向不同距离的应变数据,以B1为起点B2为终点沿Y轴方向提取纵向不同位置的应变数据。在30～100℃碳纤维板的应变随温度升高而增大,应变主要集中在225～375mm的加热区域,且Y方向的应变大于X方向的应变。而铝合金各向同性X方向和Y方向应变相同,且中心区域受热膨胀引起的应变由中心向四周递减,主要集中在150～450mm区域。有限元仿真应变场分布曲线如图8所示。

根据有限元应变场仿真结果,采用2.2节的实验装置,将光纤应变传感器FBG2、FBG3用CC-33A胶水分别粘贴在平行纤维方向和垂直纤维方向,并用光纤解调仪采集不同温度下的FBG传感器中心波长数据。利用温度参考光栅FBG1进行温度-应变解耦,计算得到加热区域中心点处X方向(即平行纤维方向)、Y方向(即垂直纤维方向)的应变测量值,由于铝合金各向同性只需沿一个方向粘贴光纤应变传感器FBG2测量应变值即可。FBG应变传感器测量数据如表3所示。

图8 有限元仿真应变场分布曲线Fig.8 Field strain distribution curve of finite element simulation

由表3可知,实验测得复合材料层压板测量的100℃沿纤维轴向和径向应变分别为155.8με、181.3με。以仿真应变值为基准计算相对误差,30℃时轴向应变、径向应变最大相对误差为3.67%、3.91%,平均相对误差分别为1.58%、1.52%。铝合金板测量的最大应变为498.7με,50℃时最大相对误差为2.55%,平均相对误差为1.41%。

用FBG应变传感器测量复合材料层压板和铝合金板在局部热载荷作用下的应变变化,热应变随温度变化曲线如图9所示。由图9可知,在30～100℃温度范围内,复合材料层压板和铝合金板仿真和实验测量的热应变随温度升高而增大,而碳纤维增强复合材料热应变具有各向异性特征,X方向应变小于Y方向应变。层压板X和Y方向应变仿真值与实测值的重复性误差为1.12%、1.09%,铝合金板应变仿真值与实测值的重复性误差为1.04%。

表3 FBG热应变测量值与仿真模拟值对比Table 3 Comparison of FBG thermal strain measurements with simulated values

图9 两种材料的热应变-温度变化及误差曲线Fig.9 Thermal strain-temperature curves and error curves of two materials

4 结论

(1)层状碳纤维复合材料结构广泛用于高分辨率遥感卫星关键结构制造,此类结构的热应变随温度升高而近似线性增加,同一温度下其热应变量显著低于铝合金结构的热应变量,主要原因是碳纤维复合材料的热膨胀系数比铝合金的小一个量级。当温度从30℃升高至100℃时,复合材料结构轴向和径向热应变量分别比铝合金结构热应变量小342.9με、317.4με。

(2)在局部热载荷作用下,层状复合材料结构的热应变分别呈现各向异性特征。100℃时光纤光栅测量复合材料结构轴向和径向应变分别为155.8με、181.3με,平均相对误差分别为1.58%、1.52%。实验验证了温度参考光栅法用于光纤温度与应变解耦具有可行性。

(3)利用光纤光栅传感器和温度参考光栅热解耦法可以有效测量层状复合材料结构热应变,但由于复合材料结构的热应变量小,常规的光纤光栅通常只能达到微应变级的测量精度,难以满足更小应变的测量需求。需要研究具有更高灵敏度、更高精度的热应变光纤测量技术,以满足高分辨率遥感卫星复合材料结构纳级应变在轨高精度测量需求。