碳纤维增强塑料(CFRP)力阻效应的研究评述

碳纤维增强塑料(CFRP)作为一种先进结构材料,其力阻效应的发现引起了广泛关注。基于现有研究成果,分别概述了连续碳纤维增强塑料和短切碳纤维增强塑料的力阻行为,从微观力阻现象和电场传输物理模型两方面分析了力阻效应产生的机理,并对内嵌式CFRP力阻传感器和CFRP智能表层进行了介绍。在此基础上,总结了制约CFRP在传感领域应用的因素并指出了未来研究方向。     

碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻效应

以短切碳纤维毡和环氧树脂为原材料制成复合材料,考察了该材料在单向拉伸载荷下的力阻响应。实验结果表明,该材料具有正力阻效应(拉应变引起材料的电阻增大)。其中,单层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻灵敏度可达13.9,但在加载过程中其电阻表现出逐渐衰减趋势;多层碳纤维毡/环氧树脂复合材料的力阻性能更为稳定,但随着层数的增加灵敏度逐渐降低,5层复合材料的力阻灵敏度下降到5.7。多层复合材料的立体导电网络是其稳定性提升和灵敏度下降的主要原因。将碳纤维毡/环氧树脂多层复合材料敷设在梁结构表面形成智能表层,利用其力阻性能实现了梁结构在循环载荷下的变形监测以及在单调载荷作用下损伤监测。     

基于模态叠加的复合材料烟囱风致振动响应分析

玻璃钢复合材料烟囱重量轻且具有良好的耐腐蚀性,它与钢外筒一起组成一种内外结合的新型复合材料烟囱结构,但在最新颁布的《烟囱设计规范》中没有涉及,目前没有该种结构的设计标准。由于钢外筒与玻璃钢内筒刚度的差异,造成计算与设计的困难。而风载是烟囱等高耸结构的主要载荷之一,其响应是结构设计的主要依据。建立了钢-玻璃钢内外筒结构的精细有限元模型,应用模态叠加法,针对这种新型烟囱在顺风向脉动风作用下的响应进行了分析,得到了烟囱结构的随机振动响应,为这种新型复合材料烟囱结构的抗风设计提出了有效的方法。     

钢筋混凝土柱中钢筋锈蚀识别

本文对钢筋混凝土柱中钢筋锈蚀识别问题进行了研究，首先采用能量法推导出钢筋混凝土柱的动力学数学模，从而得到混凝土柱的纵向振动频率向量，然后在最小二乘法的基础上，运用交错迭代法识别出筋锈蚀的程度，位置及区域等参考。     

碳纤维单丝偏轴拉伸力阻效应实验与理论分析

碳纤维在复合材料基体中的分布较大程度地影响了碳纤维智能材料的感知特性,故需在微米尺度下研究多角度偏轴拉伸下的碳纤维单丝的力电功能响应。测试了不同角度拉伸环境下碳纤维单丝的电阻变化,并对其电阻的变化情况进行了分析。结果表明碳纤维单丝在外载荷偏轴拉伸作用下电阻变化与拉伸角度间存在非线性关系。外载荷在纤维方向产生的应变对电阻变化率的作用强于垂直纤维方向应变对电阻变化率的作用,62°拉伸角为正负力阻效应的临界角度。     

基于图像融合技术的三维形貌恢复方法研究

在多幅图像融合的基础上,研究物体三维形貌恢复方法.首先利用小波变换对几幅不同的源图像作融合,提高了源图像的质量,克服了传统的基于阴影恢复形状方法(SFS)因源图像质量低使恢复结果失真的局限性.在此基础上假设反射模型是包含漫反射和镜面反射的复合反射模型,再利用SFS方法恢复物体的三维形貌.实验表明,该方法对恢复结果有了很大的改善.     

钢外筒-FRP内筒复合材料烟囱在地震作用下的响应分析

用FRP内筒与钢外筒一起组成套筒式新型复合材料烟囱结构。然而,玻璃钢复合材料烟囱结构的分析较为罕见,目前还没有相应的设计规范,其设计和计算较为困难。结合ANSYS有限元分析软件应用振型分解反应谱法研究钢外筒-FRP内筒复合材料烟囱结构在地震作用下的动力特性和地震响应,应用Tsai-Wu强度比理论对其进行了校核,并与相同结构尺寸的钢烟囱在相同地震作用下的响应结果进行了对比分析,探讨该新型烟囱结构的优势与可行性,为其抗震设计提供可靠的参考。     

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 大型钢结构发展迅猛,但经过长期服役,一旦发生破坏,后果十分严重,因此开展钢结构健康监测具有重大意义。以普通Q235钢板为研究对象,在其下表面铺设自制的碳纤维智能层,并对其进行3点弯曲试验,试验过程中钢板下表面的智能层的电阻变化率的变化与钢板下表面的平均应变的变化呈现很好的一致性。智能层的电阻变化率随钢板应变线性变化,灵敏度高,且具有很好的重复性。试验结果表明:根据碳纤维智能层的良好传感特性,可以实现钢结构服役过程中应变场的监测。     

树脂基搭接碳纤维智能层的力阻特性

提出一种具有局部搭接结构的树脂基碳纤维智能层, 将其敷设于结构表面以检测结构受载时的变形, 实现对结构大范围监测。基于该智能层, 采用单轴拉伸和三点弯曲的加载方式, 对构件进行应变和位移检测。实验发现, 碳纤维局部搭接结构是引起力阻效应的主要因素, 其单位应变的电阻率变化的灵敏度达到104, 相当于非搭接连续碳纤维复合材料力阻效应灵敏度的34倍。实验结果还进一步表明, 树脂基搭接碳纤维智能层力阻曲线光滑稳定, 其传感极限约为8500 με。建立了树脂基搭接碳纤维复合材料的电学模型, 揭示了这种力阻效应主要来源于搭接界面处层间电阻的变化, 并从纤维轴向力、搭接面积和层间剪应变三个方面解释了这种层间电阻变化的机制。      

通电过程中单向连续CFRP的暂态效应

采用不同大小的激励电流,研究了单向连续碳纤维增强塑料(CFRP)从通电初期到稳定阶段的电压响应规律。结果表明,当激励电流≥300 m A时,在通电初期,试样的电阻急剧减小,当通电时间达到100 s左右后,电阻逐渐趋于稳定。激励电流越大,其加载初期的电阻变化速度越快,其稳定状态下的电阻变化量也越大。在通电过程中CFRP试样的温度逐渐上升,其温度变化曲线形状与电阻的暂态响应曲线形状基本相同,稳定状态下的温升随着激励电流的增大而增大。实验结果揭示了通电发热所引起的温敏效应是形成CFRP暂态响应的主要原因。