本文是一篇土木工程论文，本文以促进智能CFRP层合板的优化设计并在结构健康监测领域的应用为背景，设计了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）传感器阵列的初级自知感智能CFRP层合板，并结合有限元仿真方法对其静动态力学响应及损伤机理进行了系统研究。
第一章绪论
1.1研究背景及意义
日益严格的全球二氧化碳（CO2）排放标准和现行碳中和对碳纤维复合材料行业产生深远影响，轻质复合材料在各领域倍受关注。复合材料是通过两种或多种成分组合而获得的材料，与它们的单个成分相比，这种材料具有独特的物理化学性质。复合材料的主要优点是设计灵活性，通过选择适当的组成材料组合，可以为特定应用获得新材料[1]。与其他材料类型（金属、合金、陶瓷和聚合物）相比，这些材料具有独特的优势，例如能够制造出具有预定的物理、化学、机械和热性能等特性。大多数复合材料仅由两种成分组成也就是基体和纤维，基体通常是围绕纤维的具有相对高延展性和低断裂强度的材料[2]。碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，简称CFRP）是一种性能优异的新型复合材料，因其拥有替代传统的承重材料的优势而在工业生产中大量的被用作主体承重构件。CFRP复合材料的制造过程是首先编织碳纤维，然后通过树脂润湿和固化形成碳纤维复合材料，最终得到具有出色特性的复合材料，碳纤维主要提供材料的高强度、刚度和疲劳性，而聚合物基体起到保护作用，可以有效阻止遭受外部因素的干扰如水分侵蚀和紫外线辐射等。CFRP复合材料具有的高抗拉强度、刚度和抗疲劳性，重量轻、耐腐蚀、可定制，并具有出色的抗疲劳性等卓越的材料特性，使其广泛适用于各种工程应用[3]。CFRP复合材料与传统金属材料相比，一般情况下碳纤维的比强度是大约传统金属材料的数十倍[4]。
CFRP复合材料自从上世纪60年代开始研发使用已有70多年，由于其轻量化、强度高、承重荷载能力强等优异特性，如今已经在航空航天、汽车制造、船舶制造、轨道交通、体育器材、土木工程、电子设备、医疗设备以及风力发电等多个领域大规模的被应用。目前在航空航天产业，包括民用飞机和军用飞机在内的先进飞机的重要结构部件，如航空发动机、机身、机翼和其他航空航天产品主要由CFRP复合材料开始取代，例如主要由金属材料（CFRP含量仅为3%）制成的波音767飞机的机身质量为60吨，通过将CFRP复合材料含量提高到50%，机身质量减少到48吨，从而大大提高了能源和环境效益[5]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1基于FBG传感的复合材料结构健康监测研究
CFRP复合材料的使用越来越多，因此需要研发SHM以确保其完整性和安全运行。CFRP复合材料因其卓越的强度、重量比而成诸多领域的潜在候选者，然而，由于CFRP复合材料是具备两种不同成分材料的结构复杂性，复合材料的制造、维护和维修成本占总运营预算的很大一部分。例如，CFRP复合材料结构的生命周期成本是同等钢结构的1.67倍。因此，已经开发了各种SHM技术，以较低的维护成本保持高水平的结构完整性[26]。当今的无损评估技术，如超声波检测、声发射、涡流法、射线照相、热成像等，主要用于金属材料，由于固有的微观力学复杂性，对复合材料并不总是非常有效。SHM是一种可用于监测复合材料结构健康状况的重要方法，已经存在了二十多年。它主要局限于实验室和工业中，以检查与复合材料相关的缺陷[27]。FBG传感器监测技术相比于其他传统SHM技术更多优势在于其体积小、精度高、成本低、分布式覆盖大、耐用性可靠等优点，能够承受高温（高达160°C）、潮湿、压实力大、反复重载等，并且具有较大的覆盖范围[28]，更适合那些已经在服役的大尺度CFRP复合材料结构。
迄今为止，基于FBG传感器的CFRP复合材料结构健康监测研究在也在层出不断。Aoyama H等为了检测氧化铝纤维增强塑料（alumina-FRPs）断裂早期出现的基体裂纹，分别采用声发射（Acoustic emission，简称AE）、FBG传感器、超声波传感器等技术进行了比较，发现AE只能检测损坏的最后阶段。为了检测基体裂纹等早期损伤，有必要增加AE信号增益。但这有一个电噪声问题。AE传感器使用信号电缆，这些电缆会向低温FRP结构导热。超声波传感器也有同样的问题。在超导磁体等真空室中使用超声波传感器也很困难，因为它需要一些超声波耦合剂。FBG可用于监测应变和缺陷的起始，但FRP中必须需要许多传感器来测量缺陷的大小[29]。Prussak R开发了一种智能固化循环，其中包含用于共同固化粘合纤维-金属层压板的额外冷却步骤，以减少与工艺相关的热残余应力。使用FBG传感器的在线测量技术来清楚地了解固化过程中残余应力的形成过程，并确定由此产生的残余应力水平。
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第二章内嵌光纤智能CFRP层合板的设计
2.1 FBG传感器的工作原理和性能
FBG传感器是一种高频、宽范围的光纤传感器，可以根据温度或应变的变化改变其反射光的波长。这种类型的传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰性能强、几何形状的多适应性、长期稳定性和易于集成传感器网络等优点。传感领域中使用的光纤通常由纤芯、包层和涂层组成，如图2-1所示，它们共同承受外力引起的变形。在实际测试中，纤芯、包层和涂层之间的界面是不可取的。否则，纤维很容易断裂。纤芯和包层的材料是二氧化硅，构成了有效的传感光纤。用于保护传感光纤的涂层由有机聚合物制成，在测试过程中可能会吸收一小部分应变并导致测量误差。然而，由于与实际工程尺度相比，涂层的厚度极小只有62.5m，因此可以忽略感应测量误差。因此，光纤被视为一层，半径等于125m[49]。
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2.2 CFRP复合材料层合板的制备
1.材料准备
本实验选用碳纤维布采用日本东丽株式会社生产的T700单向碳纤维布作为增强相，纤维束为12K，以环氧F46树脂体系作为基体材料。具体制备过程如下：首先将单向碳纤维布裁剪成450mm×450mm的方形试样；随后按照既定配比将树脂基体与固化剂进行精确称量，经充分搅拌混合后静置脱泡备用。在铺层工艺阶段，采用双面涂覆法将配制好的树脂体系均匀施加于单向碳纤维布表面，完成预浸料制备，依次交叉叠放整齐并施加一定压力进行预压实，叠放层数为6层。
2.模具准备
将涂有树脂的层合板放入模具中，再浇注额外的树脂以确保充分浸润。密封模具，防止树脂溢出和外界污染。
3.热压固化工艺
（1）初始阶段：压力为4MPa，温度为90°C，持续时间为1.5小时。目的是为了使树脂初步流动并浸润纤维。
（2）第二阶段：温度升至115°C，持续时间为1.5小时。目的是进一步促进树脂流动和初步交联。
（3）第三阶段：温度升至130°C，持续时间为1.5小时。目的是为了加速树脂的交联反应。然后释放压力，模具放空1小时，以排出可能的气体或挥发物。
（4）第四阶段：温度保持在130°C，持续时间为1.5小时。目的是为了确保树脂充分交联。
（5）第五阶段：温度升至140°C，持续时间为2小时。目的是为了进一步固化树脂，提高材料的机械性能。
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第三章智能CFRP层合板受静力和冲击作用的性能分析................20
3.1实验设计与加载方法........................20
3.2实验过程与数据收集.........................21
3.3实验结果.....................................22
第四章智能CFRP层合板及带孔状态的有限元仿真分析................54
4.1智能CFRP层合板的动静荷载有限元分析........................54
4.1.1内嵌光纤CFRP层合板的静力建模分析....................54
4.1.2静力模型的有限元结果.................................56
第五章CFRP层合板结构损伤机理的有限元仿真分析.....................74
5.1复合材料失效准则............................................75
5.2 CFRP层合板的静力建模分析...................................76
第五章CFRP层合板结构损伤机理的有限元仿真分析
5.1复合材料失效准则
对于CFRP层合板来说，基体开裂、纤维断裂、分层是冲击过程中的主要损伤机制[61]。基体开裂是由基体拉伸或压缩引起的，纤维断裂是纤维拉伸或压缩引起的。基体裂纹是冲击事件期间损坏的第一个主要标志，并在整个厚度方向上发生，这会导致试样底部分层。上层的压缩载荷主要导致纤维断裂，这也会导致试件上侧分层[65]。
MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE材料模型是54-55号材料，是复合模型材料类型22的增强版本。可以定义任意的正交各向异性材料，如复合壳体结构中的单向层。也可以根据Chang-Chang（1987b）或Tsai-Wu（1971）的建议来确定各种类型的失效。MAT 54的材料定律基于Chang-Chang失效准则，而MAT 55略有不同，它采用了Tsai-Wu的基体失效准则。此外，对于LS-DYNA的后期版本，在使用薄壳型元素时，引入了横向剪切应变的损伤模型作为层间剪切破坏的模型。与壳体和实体元素兼容的MAT 22模型定律不同，MAT 54和MAT55只适用于壳体元素配方，有薄有厚。模型法MAT 54包含了元素侵蚀的规定，因此一旦所有复合层发生失效，元素就会从模型中按规律地被删除。对于拉伸纤维的破坏模式，可以调用原始的Hashin（1980）准则或最大应力破坏准则，研究发现它与实验数据相关性更强(Hallquist 2006；LSTC 2017)[66]。
土木工程论文参考
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第六章结论与展望
6.1总结
本文以促进智能CFRP层合板结构在结构健康监测技术方面的应用和发展为背景，设计了以FBG传感器为传感元件做硬件核心的，下表面黏贴有FBG传感阵列的简易具备自知感功能的基础智能CFRP层合板，并且结合有限元仿真分析的方法进行了预测和评估。本文主要的研究内容和结论如下：
（1）对智能CFRP层合板进行了以集中力作为静载条件，冲击力作为动载条件的荷载施加，旨在研究CFRP层合板在不同荷载作用下的应变响应，以评估CFRP层合板受到静态和动态作用时的特性以及FBG传感技术的有效性和可靠性。并且根据实际实验状况使用ANSYS/LS-DYNA建立相关CFRP层合板的模型进行了有限元仿真分析，预测了CFRP层合板在不同荷载作用下的应变响应。结果表明有限元预测结果和实验结果保持高度的一致性，同时也检验了FBG传感器在实验监测中的可靠性。
（2）基于第三章有限元仿真分析能够预测实验结果的基础上，通过LS-DYNA建立了内嵌光纤的智能CFRP层合板和带孔CFRP层合板的有限元模型，对每一种模型分别施加动静载，旨在分别研究内嵌光纤和损伤孔径大小对CFRP层合板的结构响应的影响。内嵌光纤的CFRP层合板的有限元研究结果显示内嵌光纤由于自身的结构特征，对CFRP层合板结果并无造成任何实质性的影响，光纤可以作为无损内嵌的方式集成到结构上，可实现未来智能化CFRP层合板结构的顺利发展。带孔CFRP层合板的有限元研究结果显示，损伤孔径大小会直接影响到CFRP层合板的整体结构响应，因此CFRP层合板的设计、制作和应用需要尽可能地避免孔径损伤的出现。
参考文献（略）