树脂基碳纤维智能层的力阻效应研究及其应用

摘要

本课题来源于中央高校基本科研业务费专项资金项目“具有动态传感功能的碳纤维智能层的界面与本构理论研究”，对树脂基连续碳纤维智能层进行了深入的压阻效应研究。围绕该问题进行了探索性的理论分析及大量的实验研究。主要获得了以下几个方面的研究成果：
　　 1.建立基于树脂基连续碳纤维智能层的压阻理论模型，推导平面应力状态下的压阻系数矩阵的简化，确定了4个待求的压阻系数。设计相应的试样规格和试验方法来求解压阻系数。利用了提供单向应变场的框架装置，分别得到了智能层轴向应变和横向应变致轴向电阻率变化的压阻系数C－11＝3.17、C－12=3.11；智能层轴向应变和横向应变致横向电阻率变化的压阻系数C-21＝6.73、C-22=4.92。根据实验结果对该智能层的导电性进行了相关探讨，解释了出现正力阻效应和负力阻效应的原因。
　　 2.通过实验测试出了该智能层的传感极限，算上一定安全系数之后，确保最大工作应变不超过6000μe，当然智能层在合适的应变区间(0-3000μe)内有较高的灵敏度。运用ANSYS软件计算分析了智能层在矩形薄板处于不同工况下的表征状况。用A表示上表面4条智能层电阻变化率的平方和；B表示下表面4条智能层的电阻率的平方和；C表示上下8条智能层的电阻率的平方和。通过对各个工况的求解，绘制出了A，B，C随着荷载作用点变化的规律图。根据规律图进一步推得：如果测得了某一个确定的A，那么在薄板中心处需要作用的力F的大小是最小的；在薄板直角附近需要作用的力F的大小是最大的。
　　 3.应用树脂基连续碳纤维智能层的压阻特性对四边简支的矩形薄板进行荷载识别。提出了相应的正问题分析方法和反问题的分析方法。用参数预估的方法和正则化最小二乘法对一具体算例进行了研究，识别结果均能收敛到真实值，表明可以将此智能层应用于工程实际当中。