基于红外热像的碳纤维混凝土损伤分析与研究

摘要

本文提出了利用碳纤维混凝土的功能特性，对混凝土中的损伤进行红外检测的方法，并从实验、理论、数值计算等多方面对检测机理、影响因素等进行了分析，同时对将此方法应用于实时监测时所产生的力、电、热耦合问题进行了一定的分析与研究，利用碳纤维混凝土的功能特性，提出并设计了基于电热的碳纤维混凝土红外热像检测方法；建立了碳纤维混凝土红外热像方法的瞬态热传导温度分析模型，研究分析了材料组分及外部环境因素从材料电、热性能参数方面对检测的影响机理；建立了基于碳纤维混凝土红外热像方法的碳纤维混凝土缺陷体电-热耦合有限元分析模型；研究了利用格林函数法求解缺陷体电、热耦合问题温度场的方法；分析了其耦合的微观机理。对简单加载情况，提出用有效面积的变化表征损伤，既可反映材料力学性能的变化，亦可反映电参数的变化，并建立了碳纤维混凝土单向压缩时电参数随损伤的演变规律，结合相应的Mazars损伤力学模型和能量方程，分析了力、电与热单向耦合时的温度场。　　本文研究涉及到力学、电学、混凝土材料学、传热学等多学科，其成果对提高混凝土红外无损检测的效率和精度，增进红外在混凝土结构无损检测中的应用具有重要的现实意义，而且对碳纤维混凝土在关键土木结构中应用，并实现损伤实时监测具有一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2混凝土损伤的研究现状

1.3碳纤维混凝土的研究现状

1.3.1碳纤维混凝土的力学性能

1.3.2碳纤维混凝土的电学性能

1.3.3碳纤维混凝土的热学性能

1.3.4碳纤维混凝土的温敏效应

1.3.5碳纤维混凝土的压敏性

1.4红外无损检测研究现状

1.5本文的主要研究内容

第2章基于电热的碳纤维混凝土红外检测实验研究

2.1电热碳纤维混凝土红外检测方法的提出

2.2原料、设备及制作

2.2.1原材料及其用途

2.2.2主要称量及成型设备

2.2.3实验设备及作用

2.2.4试件制备工艺

2.2.5电极的制作及缺陷的预制

2.3电热碳纤维混凝土红外检测方法的实施

2.3.1检测实验装置

2.3.2检测原理

2.3.3检测过程及影响因素

2.4电热碳纤维混凝土红外检测结果与分析

2.4.1检测的时间相关性

2.4.2不同组分碳纤维混凝土的检测结果及分析

2.4.3不同缺陷几何特征下的红外检测结果及分析

2.5本章小结

第3章电热碳纤维混凝土红外检测的机理分析

3.1瞬态热传导基本理论

3.1.1导热方程及单值性条件

3.1.2导热问题求解方法

3.2电热碳纤维混凝土的温度场分析模型

3.2.1电热温度场控制方程

3.2.2温度场求解的定解条件

3.3电热碳纤维混凝土温度场的影响因素分析

3.3.1不同材料组分下的物性参数影响

3.3.2不同外部环境性态的影响

3.4电热碳纤维混凝土红外检测的损伤影响机理

3.4.1损伤几何形态的热源效应

3.4.2碳纤维混凝土损伤微观特性的影响

3.5本章小结

第4章电热碳纤维混凝土红外检测的有限元分析

4.1电热耦合瞬态热传导的有限元计算

4.2电热红外检测的有限元模拟

4.2.1有限元前处理

4.2.2有限元计算结果与实验值比较

4.3电热红外检测的灵敏性分析

4.3.1对缺陷几何尺寸的灵敏性

4.3.2对材料不同物性参数的灵敏性

4.3.3裂纹处对流设置的影响

4.4本章小结

第5章碳纤维混凝土缺陷体电热温度场的近似理论解

5.1求解温度场的格林函数法

5.2缺陷体焦耳热源分析

5.2.1圆形空腔缺陷热源分析

5.2.2椭圆缺陷热源分析

5.2.3裂纹缺陷热源分析

5.2.4其他形状的空腔缺陷

5.3电热红外检测的表面温度场近似理论解

5.3.1缺陷体温度场简化模型

5.3.2格林函数求解温度场

5.3.3温度场求解分析

5.4理论解与红外实测结果及有限元计算结果的比较

5.5本章小结

第6章红外实时监测时电热碳纤维混凝土的损伤研究

6.1实时监测时的力、电、热耦合问题

6.1.1力、电、热的耦合机制

6.1.2热力学分析

6.2耦合问题求解途径

6.2.1全解耦

6.2.2全耦合

6.2.3半解耦

6.2.4局部耦合

6.3简单加载情况下力、电、热的解耦分析

6.3.1基于微结构变化的损伤表征

6.3.2含损伤的应力应变关系及损伤演变规律

6.3.3电参数的演变规律

6.3.4力、电与热单耦合时的温度场全解耦分析

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

参考文献

附录：攻读博士学位期间，参加国家自然科学基金重点项目——机敏混凝土及其结构，发表的论文如下

致谢