(智能材料与结构系统)第5章智能结构系统.ppt

智能结构系统 【本章学习目标】 掌握： 智能结构系统的基本组成、功能与发展趋势。 了解： 光纤在线实时监控系统的构成与功能； 三种振动主动控制系统的构成与应用； 大型结构温度场实时监测系统的组成与设计。 【本章教学要点】 内容纲要 光纤在线实时监控系统（2学时） 振动主动控制系统 （2学时） 大型结构温度场实时监测系统 （2学时） 智能结构系统的其他典型应用（2学时） 1.光纤在线实时监控系统 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 1.3 应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程 1.4 应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程 1.5 复合材料成型工艺过程在线控制专家系统 1.6 在线监控系统在其它领域的应用 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 先进复合材料的发展正推动着宇航飞行器、航海船舶潜艇及陆地建筑桥梁等设计的变革。 随着光纤传感技术的发展，把光纤引入复合材料达到在三维方向上测量力学量的目的成为可能。 如果加入作动器和处理器，甚至可以做到实时自动修补和调整，这就形成了智能材料结构。 利用光纤传感技术可以对材料内部的固化情况进行全面有效的监测。 复合材料成型过程的光纤在线实时监控系统原理 1. 对复合材料成型工艺在线监控模型的基本要求 复合材料成型工艺在线控制系统的研究始于80年代初。 相关技术领域主要包括工艺过程机理模型和固化监测传感器的研究等。 复合材料成型过程的光纤在线实时监控系统原理 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 纤维增韧复合材料固化装置示意图: 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 固化温度、固化压力及其随时间的变化会影响如下主要参数： 1)复合材料内温度、固化度和粘度的分布及变化； 2)树脂和纤维中压力的分布及变化，排出的树脂量和复合材料的尺寸随时间的变化； 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 3)气泡含量及尺寸分布； 4)残余应力、残余应变的分布； 5)固化周期，即整个过程所需时间。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 为保证产品质量，操作过程需满足如下要求： 任何时刻，体系内温度分布均匀，且低于最大容许值，不能出现因反应过快而导致的温度骤变，尤其不能在局部出现这种现象； 任一时刻，固化度分布均匀，且副反应少；操作结束时，各层的固化度都达到颈定值； 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 达到凝胶点之前，各预浸层被完全压紧，即多余树脂完全被挤出； 固化结束时，材料中气泡数量最少，尺寸最小且分布均匀； 操作结束后，各层的残余应力和残余应变尽量小或消除； 固化周期短。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 固化工艺条件主要包括以下几个方面：温度、压力及其随时间的变化。 好的工艺条件应使固化操作过程中材料内的各参数（包括温度、压力、固化度、气泡含量等）及其分布处于合理区域内。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 2. 热—化学模型 热化学机理: 研究热传递和化学反应在树脂固化过程中的作用。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 化学机理的目的 ： 使材料内的温度和固化度的分布在固化过程保持均匀，且它们的变化平缓，从而使材料内的力学等性能均匀，保证产品质量。（这也是优化操作工艺条件的一个方面） 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 影响体系内温度的分布和固化度和粘度的分布的因素主要包括： 树脂固化反应释放热量； 固化体系内部及内部与外部环境之间存在温差导致热量传递； 除此之外还包括反应速度、反应热、材料物性、几何形状和尺寸等，研究热。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 3. 树脂流动—纤维作用模型 树脂流动—纤维作用模型是研究固化体系承受釜压的作用下，树脂流动和纤维变形对固化进程的影响 。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 随着因树脂的流动使预浸层被压缩的逐渐进行，纤维受压迫而变形并产生弹力，部分负荷被纤维承担，树脂中的平均压力减小； 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 随着预浸层被继续压缩，纤维承担负荷的比例越来越大，最终纤维体积分数完全取决于纤维束的弹性性能，与树脂流动无关。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 伴随着树脂的流动过程，还存在着纤维的弹力作用，预浸层板可被看作是充满粘性流体的具有非线性弹性形变性能的多孔介质，所施负荷完全由树脂承担。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 4. 气泡活动模型 气泡是影响复合材料产品质量的重要因素之一。 如何减少并消除气泡，是保障复合材料制品的关键。 这方面的研究主要包括：气泡的形成、成长和传递。 1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 1