【实测案例】分布式光纤嵌入U型复材无损强度检测

一、试验目的

使用分布式光纤嵌入测试复合材料拉伸过程层间各个位置应变变化情况，并与有限元分析结果作对比。

二、试验过程

在预浸料第二层上表面和第九层上表面布设聚酰亚胺涂层耐弯曲光纤（图1是各层预浸料纤维方向示意图，图2是光纤布设层数示意图，蓝线和绿线代表光纤位置），光纤方向平行于预浸料纤维方向，光纤布设呈S型，第二层表面有8段平行光纤，第九层表面有10段平行光纤（图3是光纤布设示意图）。

图1. 各层预浸料纤维方向示意图 

图2. 光纤布设层数示意图

a.第二层上表面光纤布设示意图        b. 第九层上表面光纤布设示意图

图3. 光纤布设方向示意图

图4是光纤布设实物图，试验使用OSI-S设备进行测试，空间分辨率选择1mm（即1mm一个传感点），传感点共有6400个，测试精度±1µε。

图4. 光纤布设实物图

复合材料固化成型后，待其冷却至室温后装在拉伸机上，固定复合材料后选取参考，分别记录拉伸机位移1mm、2mm、3mm、4mm和5mm时的应变变化数据。图5是加载实物图。

图5. 加载实物图

三、试验结果

图6是拉伸机位移1~5mm时，底层和上层的光纤应变变化值。底层光纤布设方向和拉伸方向一致，应变变化较大。上层光纤方向与拉伸方向垂直，几乎没有应变变化。符合仿真结果。

图6. 拉伸复材时底层和上层的应变变化

图7是使用有限元分析第二层和第三层拉伸5mm时的仿真图，图8是使用光纤测试的应变变化值重构出的三维应变分布图，应变分布大致一样。

a.第二层仿真模拟图

b. 第三层仿真模拟图

图7. 有限元分析仿真图

图8. 底层光纤测值应变场重构

图9是拉伸机位移5mm时使用有限元分析得出的第二层和第三层对应第一条光纤位置的应变值，图11是拉伸机位移5mm时第一根光纤实测应变变化值。

a.第二层应变

b. 第三层应变

图9. 有限元分析底层第一段光纤方向应变

图10. 底层第一段光纤应变实测值

从图10可以看出，复合材料弧中心产生负应变，处于压缩状态，边缘产生正应变，处于拉伸状态，测试应变和仿真应变于是一致，实测值比仿真值大，考虑到复合材料模型制作工艺，光纤放置层数实际厚度误差，拉伸机实际拉伸位移误差等影响，光纤测试结果与仿真结果存在稍许误差。

四、试验结论

此次试验在成型前将光纤嵌入式布设到复合材料内部，监测成型后的复合材料形变产生的应变变化，验证了使用分布式光纤实时监测复合材料结构健康具有可行性。