光纤光栅与基体损伤的长期耦合效应分析

论文摘要

光纤光栅与基体损伤之间的长期耦合效应是光纤光栅传感领域一个基础研究课题。本文在课题组已有关于光纤光栅传感器多层界面应变传递规律的研究基础上,针对基体结构在塑性大变形、蠕变、疲劳和裂纹等条件下的宏观损伤、微缺陷损伤、界面滑移等不同性质的损伤,较系统地研究了光纤光栅与基体之间的长期耦合效应。主要工作包括:首先,从理论上分析和推导了基体宏观形变损伤如塑性变形、蠕变、疲劳以及裂纹与光纤光栅的长期耦合效应的一般关系,给出了光纤光栅应变传递特征因子以及相应的误差修正方法,并进行了影响因素分析。其次,通过有限元仿真分析和试验研究对基体宏观形变损伤与光纤光栅的耦合效应进行了深入研究,探讨了光纤光栅应变传递误差修正的必要性。此外,理论分析了当基体材料微缺陷与宏观损伤同时存在时基体与光纤光栅的耦合效应,并研究了光纤光栅的应变传递特征系数。然后,对光纤光栅传感器与基体间界面存在滑移损伤时两者的耦合效应进行了理论分析与仿真模拟研究,分析了该工况下传感器的应变传递率以及误差修正系数。最后,基于基体损伤与光纤光栅的耦合效应分析结果,从封装材料的选择和封装尺寸优化两个角度给出了光纤光栅传感器的优化设计方法,并结合工程实例描述了传感器优化设计方法的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 课题背景与意义
• 1.1.2 结构健康监测的发展
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光纤光栅传感技术及其发展状况
• 1.2.2 夹杂理论的发展现状
• 1.2.3 复合材料应力传递理论的研究现状
• 1.2.4 光纤光栅传感器应变传递分析的研究现状
• 1.2.5 复合材料应变传递有限元分析的发展现状
• 1.2.6 光纤光栅传感器优化设计的发展现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 本文研究思路
• 第2章 光纤光栅与基体损伤的耦合效应
• 2.1 引言
• 2.2 光纤光栅传感器对基体应力状态的影响分析
• 2.2.1 光纤光栅传感器对基体纵向应力场的影响
• 2.2.2 光纤光栅传感器对基体横向应力场的影响
• 2.3 光纤光栅与基体损伤的耦合效应
• 2.3.1 分析模型的建立与基本假定
• 2.3.2 耦合效应分析
• 2.3.3 耦合效应影响因素
• 2.3.4 应变传递有效长度的定义
• 2.3.5 耦合效应平均应变传递分析
• 2.4 基体损伤耦合材料微缺陷与光纤光栅的相互作用
• 2.4.1 基体微缺陷损伤特性
• 2.4.2 基体损伤耦合材料微缺陷与光纤光栅传感元件的相互作用
• 2.5 本章小节
• 第3章 光纤光栅与基体塑性损伤的耦合效应
• 3.1 引言
• 3.2 光纤光栅与基体塑性损伤耦合效应理论分析
• 3.2.1 基体材料塑性特征
• 3.2.2 基体塑性损伤与光纤光栅的耦合效应
• 3.3 基体塑性耦合材料微缺陷与光纤光栅的相互作用
• 3.4 光纤光栅与基体塑性损伤耦合效应仿真分析
• 3.4.1 光纤光栅与基体材料弹性阶段耦合效应仿真分析
• 3.4.2 光纤光栅与基体塑性损伤耦合效应仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 光纤光栅与基体蠕（徐）变损伤的耦合效应
• 4.1 引言
• 4.2 光纤光栅与基体蠕（徐）变损伤耦合效应理论分析
• 4.2.1 基体材料蠕（徐）变特性
• 4.2.2 基体蠕（徐）变损伤与光纤光栅传感器的耦合效应
• 4.3 基体蠕（徐）变耦合微缺陷与光纤光栅传感器的相互作用
• 4.4 光纤光栅与基体蠕（徐）变损伤耦合效应仿真分析
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 有限元结果分析
• 4.5 光纤光栅与基体蠕变损伤耦合效应的试验研究
• 4.5.1 试验准备
• 4.5.2 试验过程
• 4.5.3 试验结果分析
• 4.6 本章小节
• 第5章 光纤光栅与基体疲劳及裂纹损伤的耦合效应
• 5.1 引言
• 5.2 光纤光栅与基体疲劳损伤的耦合效应
• 5.2.1 基体材料疲劳特性
• 5.2.2 基体疲劳损伤与光纤光栅的耦合效应
• 5.3 光纤光栅与基体裂纹损伤耦合效应
• 5.3.1 基于线弹性断裂力学的耦合效应分析
• 5.3.2 考虑裂纹尖端小范围屈服的耦合效应分析
• 5.4 基体疲劳耦合微缺陷与光纤光栅的相互作用
• 5.5 光纤光栅与基体疲劳损伤耦合效应仿真分析
• 5.5.1 模型的建立
• 5.5.2 有限元计算结果分析
• 5.6 本章小节
• 第6章 光纤光栅与基体界面损伤的耦合效应
• 6.1 引言
• 6.2 光纤光栅与基体界面滑移损伤耦合效应理论分析
• 6.2.1 界面粘结滑移现象
• 6.2.2 界面弹性滑移耦合效应理论分析
• 6.2.3 界面摩擦滑移耦合效应理论分析
• 6.3 光纤光栅与基体界面滑移损伤耦合效应仿真分析
• 6.3.1 有限元模型的建立
• 6.3.2 有限元计算结果
• 6.4 本章小节
• 第7章 光纤光栅传感器优化设计方法
• 7.1 引言
• 7.2 光纤光栅传感器设计总则
• 7.3 基于应变传递的传感器优化设计原理
• 7.4 基于基体无损时应变传递的传感器优化设计
• 7.4.1 封装材料的选择
• 7.4.2 封装材料尺寸优化设计
• 7.5 基于基体损伤状态应变传递的封装材料尺寸优化设计
• 7.5.1 基于基体塑性损伤应变传递的封装材料尺寸优化设计
• 7.5.2 基于基体蠕（徐）变损伤应变传递的封装材料尺寸优化设计..
• 7.5.3 基于基体疲劳时损伤应变传递的封装材料尺寸优化设计
• 7.5.4 基于基体裂纹损伤应变传递的封装材料尺寸优化设计
• 7.6 基于界面滑移损伤应变传递的封装材料尺寸优化设计
• 7.7 优化设计实例分析
• 7.8 本章小节
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间申请的专利
• 致谢