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含自检测功能的智能CFRP结构设计探讨开题报告

 2020-02-10 11:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1.研究背景

如今钢结构由于具有强度高、自重轻、整体刚度好,成本低等特点而广泛应用于当代工业体系中,在其中发挥了极其重要的作用。同时钢结构的工作环境一般比较恶劣,并且长期在重载、疲劳载荷下工作,不可避免地会产生诸如疲劳裂纹之类的损伤,如若不加以重视,势必埋下安全隐患。为了避免安全事故,减少不必要的经济损失以及增加设备的使用寿命,需要对受到损伤的钢结构进行修复和更换。考虑到经济方面的因素,且不影响机械设备正常工作,更换钢结构的实施案例较少,当前如何高效低成本地修复钢结构损伤并检测已经成为一项十分重要的工作。

修复钢结构损伤的传统方法是焊接技术,其不可避免的存在一些缺点:增加钢结构重量,难以在几何形状复杂的钢结构上实现,以及对焊接工人的施工技术要求较高。

纤维增强复合材料(FiberReinforced Polymer/Plastic),其是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合后形成的高性能型材料,由于FRP具有良好的物理和力学特性, 在结构加固领域具有明显的优势, 尤其是碳纤维复合增强材料 (CFRP) , 与其他FRP材料 (如玻璃纤维复合增强材料GFRP) 相比, 抗拉强度大、弹性模量高。与传统的焊接方法相比,CFRP加固钢结构技术具有以下优点:1)结构拥有良好的抗酸、抗碱、抗腐蚀能力;2)FRP材料质轻高强;3)加固工艺简便;4)无损加固。

FRP-钢结构主要存在FRP覆盖下裂纹的扩展和FRP材料端部脱落两大典型损伤形式。由于FRP材料属性的影响(如FRP的正交各向异性、CFRP的弱导电性)导致实现FRP-钢结构典型损伤的检测的难度较大。

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线,其是在一个薄介质基片上,一面附上金属薄层作为接地板,另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片。微带天线因其具有体积小、重量轻、制造工艺简单、容易实现共形等优点,而被广泛地应用。近年来,部分学者把微带天线应用在结构健康监测领域并取得了显著的效果。将微带天线技术应用于FRP-钢结构中对研究FRP复合结构损伤机理及其安全保障具有重要的工程价值,为“FRP-钢结构”自检测智能皮肤的实现提供了巨大的发展潜力。

1.2.国内外研究现状

2009 Tata U等人研究了应用贴片天线进行应变测量的可行性。贴片天线的谐振频率由贴片的大小决定。施加的应变会改变金属贴片的尺寸,导致天线谐振频率发生位移。因此,可以通过天线谐振频率的变化来测量所施加的应变。并制作了一种双频贴片天线。通过将贴片天线与铝悬臂梁连接,并在悬臂梁的自由端施加载荷,通过实验测得的天线应变灵敏度与分析预测结果吻合较好。[1]

2010年,Mohammad I使用贴片天线进行了疲劳裂纹长度的测试并讨论了裂纹的方向和裂纹闭合对天线传感器谐振频率的影响,得到了“平均来说,1 毫米裂纹的增长导致天线频率偏移22.1MHz”的结论。[2]

2016刘志平,柯亮等人基于碳纤维增强复合材料(CFRP)的多铺层特点,提出准各向同性CFRP假设,建立了"CFRP-胶层-钢"媒质中涡流问题的解析计算模型。推导了“钢-胶层-CFRP”结构的涡流检测数学模型,获得了涡流线圈阻抗变化数学解析, 采用COMSOL Multiphysics软件模拟实际的CFRP电各向异性进行有限元仿真,验证了其假设和解析计算结果。为CFRP加固钢结构后的涡流无损检测提供理论基础。[3]

2016 Liu Z P等人以CFRP覆盖下的焊缝裂纹为研究对象,采用脉冲涡流热成像(Eddy Current Pulsed Thermography,ECPT)技术对CFRP加固下的疲劳裂纹损伤进行检测,分析了涡流热激励对CFRP多层各向异性介质的作用机理,并通过图像处理算法获得了裂纹的长度和方向等信息。[4]

2017 Liu Z P等人一种采用微带天线传感器的FRP加固钢结构裂缝监测方法。该天线传感器可以检测FRP(包括CFRP)覆盖的钢结构的裂纹。FRP厚度对天线传感器的性能影响较大,应变的影响可以忽略不计。研究结果为FRP加固钢结构的裂缝监测提供了一种新的方法,具有广阔的应用前景[5]

2018陈凯等人提出了针对FRP覆盖下的裂纹与FRP端部脱胶这两种FRP-钢结构的典型损伤形式提出了一种“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线传感器损伤监测模型。推到出了双基质天线传感器的基频理论公式,阐述了其实现检测的机理。在HFSS中建立了“贴片-基质-FRP-钢结构”双基质天线传感器损伤监测模型,并将仿真数据与实验数据相结合进行了定量研究,证明了其可行性。其研究成果为FRP-钢结构损伤监测提供了一种全新的研究思路,对研究复合结构损伤机理和保障FRP-钢结构安全具有重要的工程价值。[6]

2018柯亮等人应用微带天线传感器进行金属结构的健康监测,其设计了一种微带天线传感器,并通过数学理论推导、有限元仿真、试验验证等方法研究了其应变测量和裂纹识别性能。分析了传感器的裂纹识别原理以及应变和裂纹对传感器谐振频率的耦合作用机理。利用Ansoft HFSS软件建立了微带天线传感器模型,分析了应变和裂纹耦合工况下传感器的谐振频率响应情况。并制作微带天线传感器试件,搭建试验平台,将实验数据与仿真结果相结合证明了微带天线传感器用于金属结构健康监测的可行性,并定量地阐释了传感器的应变测量和裂纹识别特性。[7]

2019陆依晖等人对CFRP条带加固的混凝土-钢组合梁抗弯性能进行研究。在考虑CFRP条带加固长度和宽度两个变量的基础上,研究加固和未加固组合梁在加载过程中的承载力性能。得到了采用CFRP条带加固的组合梁承载能力会提高, 当CFRP加固长度为试件总长的60%时, 承载力的提高效率最高的结论。[8]

1.3.本次研究的目的及意义

钢结构在工业体系中的作用日益突显,钢结构损伤若不能即使给予重视,则可能引发不可挽回的安全事故和经济损失。由于替换钢结构成本较大,当今及时修复钢结构损伤以及对产生的损伤进行检测显得尤为重要。

碳纤维复合材料由于其优异的材料性能而越来越广泛的应用于钢结构修复中,从而构成FRP-钢结构。国内外学者研究表明使用FRP材料进行钢结构修复可以延缓结构裂缝的延展,从而延长生产机械的寿命。相比焊接技术使用FRP材料进行修复有以下几个优点:1)结构拥有良好的抗酸、抗碱、抗腐蚀能力;2)FRP材料质轻高强;3)加固工艺简便;4)无损加固。

由于受FRP覆盖及FRP材料属性(如FRP的正交各向异性、CFRP的弱导电性)的影响,FRP覆盖下的钢结构裂纹状态监测难度大,有关FRP端部脱胶损伤监测的研究极少。

本研究旨在针对以上问题,设计一种具有自检测功能的智能CFRP钢结构皮肤,其结构为“贴片-基质-FRP-钢结构”。使其可以有效的检测FRP钢结构中的的裂纹状态和进行FPR端部脱胶损伤进行检测,并进行定量研究。


2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容

本课题是以CFRP-钢结构为研究对象,针对CFRP-钢结构健康检测存在的问题运用贴片天线传感器,设计一种基于“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的具有自检测功能的智能皮肤。以HFSS分析软件为主要手段,探究当CFRP覆盖下钢结构裂缝状态变化以及CFRP材料端部脱落,而引起传感器谐振频率的变化并进行定量研究

课题主要研究工作为:

(1)进行查阅文献和理论研究,查阅国内外关于CFRP-钢结构损伤检测的醉经成果与进展,并分析CFRP-钢结构健康检测的困难与存在的问题。

(2)微带天线的工作原理及其设计,探究双基质天线传感器理论模型探究与公式推导。

(3)CFRP-钢结构裂纹识别原理和CFRP-钢结构端部脱胶检测原理探究。

(4)应用HFSS分析软件,建立贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线传感器损伤监测模型。探究不同的裂纹长度和方向引起的传感器谐振频率的变化。

(5)FRP-钢结构脱胶损伤应变传递仿真分析,探究不同端部脱胶程度对传感器谐振频率的影响。

(6)FRP-钢结构损伤监测影响因素研究

2.2 研究的目标

研究的目标是设计一种“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线线传感器损伤监测模型,并通过HFSS分析软件进行仿真。针对CFRP-钢结构裂纹和端部脱胶两大典型损伤形式,探究其应用于CFRP-钢结构健康检测可行性。

2.3 技术方案及措施

本课题拟采用理论分析和仿真分析相结合的方式,对贴片天线传感器的原理及特点进行研究,初步建立“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线线传感器损伤监测的仿真模型,进而对该结构能否用于结构健康检测进行评价。

技术方案:

(1)阅读国内外相关文献,了解利用FRP材料加固钢结构相关技术,了解CFRP-钢结构典型的损伤形式,分析CFRP-钢结构健康检测的困难与存在的问题。查阅国内外关于CFRP-钢结构损伤检测的最新成果与进展。

(2)查阅相关文献。了解国内外关于微带天线的最新成果与应用,学习掌握微带天线的工作原理,学习设计贴片天线传感器。探究基质属性、贴片尺寸对天线谐振频率的影响。基于HFSS学习微带天线的仿真。

(3)探究“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线传感器损伤监测模型,推导双基质天线传感器的基频理论公式。探究FRP-钢结构裂纹识别原理和端部脱胶检测原理,探究实现FRP-钢结构健康监测的可行性

(4)采用HFSS分析软件,建立“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线传感器损伤监测模型。探究裂缝长度以及方向变化时,对贴片天线谐振频率的影响,进行定量研究。

(5)推导FRP-钢结构多层界面的应变传递数学关系,FRP-钢结构脱胶损伤应变传递仿真分析,通过实验地方法探究天线传感器灵敏度与脱胶长度之间的关系。

(6)研究CFRP的弱导电性和FRP厚度对FRP-钢结构损伤监测的影响。


3. 研究计划与安排

(1)第1、2周,熟悉题目背景,检索相关的中英文文献,了解超声红外检测方法。

(2)第3周,阅读文献并分类整理,提交文献检索报告,完成20000字符的英文文献翻译,并撰写论文开题报告。

(3)第4-7周,学习HFSS软件,并且建立“贴片-基质-FRP-钢结构”四层结构的双基质天线传感器损伤监测模型

(4)第8-12周,仿真分析,探究不同的裂纹长度方向以及不同端部脱胶程度引起的传感器谐振频率的变化,并进行定量分析

(5)第13周,整理相关仿真和实验数据及图片,撰写毕业设计论文。

(6)第14周,整理相关资料,进一步完善毕业设计论文。

(7)第15周,上传毕业论文,准备毕业设计答辩。


4. 参考文献(12篇以上)

[1] Tata U, Huang H,Carter R L, et al. Exploiting a patch antenna for strain measurements[J].Measurement Science amp; Technology, 2009, 20(1):015201.

[2] Mohammad I, Huang H. Monitoring fatigue crack growth andopening using antenna sensors[J]. Smart Materials amp; Structures, 2010,19(5):055023.

[3]柯亮, 刘志平,等. “CFRP-胶层-钢”多层异性复合结构涡流检测模型分析[J]. 武汉理工大学学报, 2016, 38(6):89-96.

[4] Liu Z P, Li X, Li MC, et al. Research of Detecting Methods of Welding Cracks in CFRP-SteelStructures Based on Eddy Current Pulsed Thermography[C]// Materials ScienceForum. 2016.

[5] Liu Z, Chen K, Li Z,et al. Crack Monitoring Method for an FRP-Strengthened Steel Structure Basedon an Antenna Sensor[J]. Sensors, 2017, 17(10):2394.

[6]陈凯.基于天线传感器的FRP-钢结构典型损伤监测方法研究[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文,2018.

[7]柯亮.基于微带天线传感器的金属结构应变测量与裂纹识别方法[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文,2018.

[8] 陆依晖,杨健,王斐亮,刘清风,Kadbum A F.CFRP加固组合梁承载力性能实验研究[J].玻璃钢/复合材料,2019(02):13-19.

[9]宋庆武.基于HFSS 的微带天线建模仿真研究[J].电脑知识与技术,2015,11(26):199-204.

[10]来雪梅,王代华,张哲.基于HFSS的微带天线设计与仿真[J].机械工程与自动化,2009(06):40-42.

[11]张天瑜.基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2008,29(04):121-125.

[12]Abot, Jandro L,Song, Yi,et al. Delamination detection with carbonnanotube thread in self-sensing composite materials. Composites Science andTechnology,2010;70(7): 1113-1119.

[13]Cho C, Yi X, Li D, etal. Passive Wireless Frequency Doubling Antenna Sensor for Strain and CrackSensing[J]. IEEE Sensors Journal, 2016, 16(14):1-1.

[14] Yi X, Cho C, CooperJ, et al. Passive wireless antenna sensor for strain and cracksensing—electromagnetic modeling, simulation, and testing[J]. Smart Materialsamp; Structures, 2013, 22(8):085009.

[15]李明洋.HFSS天线设计[M].北京:电子工业出版社,2011.
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