基于自敏感特性的复合材料弹性元件的载荷监测研究

摘要

碳纤维复合材料运用领域越来越广泛，针对于碳纤维复合材料的可塑性高这一特性使其可运用于较复杂环境场景中。碳纤维复合材料弹簧具有比传统金属材料弹簧更高的比强度、比模量等机械特性，并且碳纤维材料本身具有对变形的电阻敏感特性，针对规则形状下的复合材料无损检测的学者也越来越多，而相较于不规则或结构复杂的复合材料无损检测研究相对来说比较少，所以针对碳纤维复合材料弹簧在承载载荷的同时运用于载荷监测领域的研究存在必要的意义。　　本文以碳纤维预浸料布制成的复合材料弹簧在准静态压缩下电阻变化进行研究。通过有限元分析，数值计算及实验相结合的研究方法，研究碳纤维复合材料弹簧在载荷监测领域的可行性并分析其电阻变化的相关因素。其相关研究步骤由以下几个部分组成。　　(1)准静态压缩试验。针对碳纤维复合材料弹簧在载荷监测领域的研究是建立在碳纤维复合材料弹簧的准静态压缩实验的基础之上的。首先考虑复合材料弹簧的制作工艺，设计相关模具，选取合适的材料完成对复合材料弹簧的制作。其次对已制备好的碳纤维复合材料弹簧进行准静态压缩试验，在压缩过程中采用四端点测试法实时测量碳纤维复合材料弹簧的电阻变化，并记录保存。为验证压缩速率对电阻变化的影响，采用不同的速率进行准静态压缩。　　(2)系数测定试验。为了测量应变对碳纤维复合材料弹簧电阻变化的影响系数。制作出碳纤维复合材料板条，对复合材料板条进行拉仲实验，在拉伸过程中利用高速相机的数字图像处理技术(DIC)进行应变的辅助测量，利用声发射(AE)来实时监测复合材料板条在拉伸过程中的损伤情况，通过实验测出的系数带入仿真数值分析中，得出仿真电阻变化关系。　　(3)有限元仿真及数值计算分析。对Abaqus进行二次开发，创建用户图形界面，方便不同规格参数弹簧的实体建模和网格划分。在复合材料弹簧准静态压缩仿真的前提下，利用Abaqus中的热一电耦合模块及数值计算来分析碳纤维复合材料弹簧在准静态压缩时电阻变化因素，通过实验和数值计算反推得出应变对电阻率变化影响系数，对测定的应变一电阻变化系数进行校正。

目录

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摘要

图文目录

1．1课题背景及研究意义

1．2国内外研究综述

1．2．1国内的研究现状

1．2．2国外的研究现状

1．3本论文主要研究内容

第二章复合材料弹簧的准静态压缩实验

2．1模具的制作

2．2材料属性及试样的制作

2．3准静态压缩实验

2．4本章小结

第三章应变对碳纤维复合材料电阻变化的系数测定

3．1拉伸试样的制备

3．1．1复合材料拉伸板条的制各

3．1．2拉伸试验前复合材料板条试样的预处理

3．2复合材料板条的拉伸试验

3．2．1声发射实验介绍

3．2．2 DIC实验介绍

3．3拉伸试验结果与分析

第四章仿真与数值分析

4．1仿真模型的建立及网格划

4．2准静态压缩仿真

4．3仿真中碳纤维复合材料弹簧电阻变化计算

4．3．1碳纤维复合材料的电传导系数测定

4．3．2 碳纤维复合材料弹簧热-电耦合有限元分析

4．3．3应变下的复合材料弹簧电阻变化计算

4．4本章小结

第五章结果与讨论

5．1准静态压缩实验分析

5．2仿真结果

5．3参数测定仿真参数对比

5．4实验与仿真对比分析

5．5结论

5．6本章小结

6．1研究工作总结

6．2论文主要创新点

6．3后期研究和展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文

致谢