关键词:
磁性纤维
立体编织复合材料
GMI效应
有限元计算
结构健康监测
摘要:
立体编织复合材料因其质量轻、强度高以及设计灵活等优点,在航空、航天等工程领域有着广泛的应用。然而在长期服役过程中,复杂多变的环境可能会导致其结构的内部损伤,从而造成安全隐患,因此,对结构进行健康监测成为确保其长期安全运行的关键。磁性纤维尺寸小,且在受到外加直流磁场和应力时,表现出较为迅速的响应灵敏性,在复合材料健康监测方面具有重要的应用价值。因此,本文以立体编织复合材料的健康监测为背景,通过实验和有限元分析相结合的手段,探索应力对嵌入立体编织复合材料中的磁性纤维阻抗的影响规律。本文的主要研究内容如下:
首先,基于磁性纤维的巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,GMI)效应,建立磁性纤维的多物理场有限元模型,探索不同应力条件下磁性纤维阻抗的响应特性及激励电流频率对其趋肤效应的影响;建立磁性纤维的立体编织复合材料有限元模型,探索外部应力作用下,磁性纤维应力-阻抗响应特性。有限元分析结果表明,随着频率的增加,趋肤效应增强;随着外部应力的增加,磁性纤维的阻抗呈现先增大后减小的趋势,并在一定应力阈值后趋于稳定。
其次,根据四步法三维五向编织工艺,编织了含有磁性纤维的三维五向编织预制体。接着,通过真空辅助树脂传递模塑(Vacuum assisted resin transfer molding,VARTM)工艺,将预制体与环氧树脂进行浸渍固化,制备了包含单根及多根磁性纤维的立体编织复合材料试件。
最后,搭建阻抗测试实验平台,系统研究应力对磁性纤维立体编织复合材料阻抗的影响规律。测试了单根磁性纤维立体编织复合材料在特定磁场强度和不同激励电流频率下阻抗随外加载荷的变化规律。实验结果表明,在激励电流频率为10 MHz/15MHz/20 MHz时,磁性纤维阻抗随外加载荷的增加表现为先增后减,最后趋于稳定的趋势;实验进一步验证了磁性纤维阻抗随激励电流频率增加而增大的现象,与有限元分析结论一致,证明了有限元分析的可靠性。在单根磁性纤维嵌入立体编织复合材料阻抗随应力变化规律的基础上,研究了多根磁性纤维以并联的方式嵌入立体编织复合材料的应力-阻抗关系。研究结果表明,多根磁性纤维的阻抗值小于单根磁性纤维的阻抗值,从而增强了GMI效应。
本文从单根磁性纤维入手,揭示了外加应力对其阻抗的影响规律,在此基础上,探索了单根及多根磁性纤维嵌入立体编织复合材料时,应力对其阻抗的影响规律,这一研究对未来在航空航天等领域中开展有效的结构健康监测具有重要的实践意义。