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1、技术综述 纤维缠绕复合材料压力容器健康监测研究进展 赵海涛， 张博明， 武湛君， 王殿富， 戴福洪 （哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所， 黑龙江 哈尔滨!“#!） 摘要：阐述了纤维缠绕复合材料压力容器健康监测传感器的特点和原理， 对纤维缠绕复合材料结 构健康监测工作中的固化过程监测、 服役环境监测、 内压和结构应变监测、 损伤监测、 爆破压力监 测、 泄漏监测进行了介绍和比较。最后， 对纤维缠绕复合材料结构健康监测工作进行了展望， 并提 出了几点建议。 关键词：复合材料压力容器； 光纤光栅传感器； 智能夹层； $% ?% , /(1， 3 :-,( , A4(， 3;= !/,( , *4
2、， !;B 24 , -%(1 （234563 786 289:8;5366D6D） ;C7)0,D)： F3 BF6B5364I J86K?5F 9849345 J8A4I B89:8;63 3?D8653IM E4568IAB54I B89:64I ;569G3，DA6;5 :63;A63 4I FHI68G34 ?3KG3 87 5F3 ;56AB5A6? F3?5F 9849345 J8A4I B89:8;?5F 984N 9345 J8A4I B89:8;63 :63;3453I， ;893 ;AGG3;5; :A5 786J6IM E“F G%057： B89:8;5H36；$%3
3、4;86；F3?5F 984?-0 等 !A， !B通过对固化设备进行改进， 利用 反转电机的方法成功地将 456 传感器阵列预埋在 复合材料压力容器壳体内部， 由层间温度场测量实 现了固化过程监测 （如图 ! 所示） ； 同时， 根据层间应 变测量结果得到了固化残余应变场分布 （见图 #） 。 本文采用另外一种监测方法， 开发小型的解调 系统， 做好防热保护后放置到加热釜中和容器一同 旋转， 信号通过无线网络传输出来。小型的解调系 统也适合航天上对储箱的健康监测。 C% 第 #% 卷第 $ 期压力容器总第 !B# 期 图 ! 固化过程的温度监测 图 “ 固化过程的应变监测 “#“服役环境监测
4、 航天用的可重复使用燃料储箱需要经历反复的 高低温作用， 充入液体燃料时储箱处于低温环境， 完 成飞行回到地面后处于常温环境。传感器在这样的 高低温循环下是否有效， 成为研究者普遍关心的问 题。 !$% 年， 美国洛马航空公司的 6 测量到的桶身处应变 马歇尔宇航中心的 6 等将 +56 传感器埋入 到复合材料压力容器中， 验证了 +56 传感器在增压 过程中的存活能力， 容器内压力与 +56 传感器测量 到的应变成正比 “1 0 “%。 比利时根特大学的 ?)99 等把 +56 传感器埋入 到复合材料压力容器中， 跟踪载荷循环变化， 监测容 器变形情况， 得到了较好的结果。?)99 等还把埋
5、 /% A,B7纤维缠绕复合材料压力容器健康监测研究进展BC“DEFC1 “/2 入 !“# 传感器的监测结果和应变片、 声发射的监测 结果作了深入的比较， !“# 传感器的监测结果与两 者符合得很好 $% ! 干涉型传感器 中的一种 9? ） ， 验证了压力和传感器测量的应变成 正比， 并且通过传感器获得的信息能够判断损伤的 类型、 大小和深度 9$。 美国蓝色之路研究院的 8/6- 则利用双轴 !“# 传感器获取的信息， 输入到光学成像软件中， 得到了 复合材料压力容器上损伤的位置 99。 A.B-,8 等 9)， 9C在复合材料压力容器中埋入双 轴 !“# 传感器， 把传感器获取的信息输
6、入到编制好 的程序中， 得到了冲击损伤和预制损伤的位置及大 小， 与涡流检测、 超声波检测得到了相同的结果。并 且， 在实验中复合材料分层和纤维断裂得到了不同 的信号， 从而认为双轴 !“# 传感器能够识别损伤的 种类 （见图 )） 。 图 ) 使用双轴 !“# 传感器识别损伤 以上的损伤监测工作确定了损伤的位置、 大小 和类型， 但还不是很精准， 把损伤量化， 具体给出损 伤对剩余寿命的影响， 还需要更加进一步的研究。 $(C爆破压力监测 压力容器作为承压结构， 当内部的压力达到容 器的承载极限时， 就会发生爆破， 为了验证容器的承 载能力， 一些研究者对爆破压力进行了监测。 美国马歇尔宇航
7、中心使用表面粘贴的 !“# 传 感器监测了复合材料压力容器的爆破， 但是 !“# 传 感器并没有监测到爆破前的征兆， 在容器内压力达 到 ?$: =DE 时光栅就没有信号了 （爆破压力 9: =DE） 。 韩国铁路研究院的研究人员使用埋入的 !“# 传感器监测复合材料压力容器的爆破， 也没有监测 到最后的爆破， 最大程度能够监测到爆破压力的 CF， 个别的只监测到爆破压力的 9$F 9%。 监测爆破压力目的是从监测结果中获取爆破前 的征兆， 但是爆破前容器的变形过大通常会使光纤 断裂。未来监测爆破压力的研究可以选取较高韧性 的胶粘剂粘贴 !“# 传感器， 虽然降低了灵敏度， 但 能够使传感器一
8、直监测到爆破的发生。也可和其它 的无损检测相结合， 例如声发射技术， 检测出压力容 器相对薄弱的部位， 把 !“# 传感器布置在其附近， 避免光纤布置在爆破口上。 $(%泄漏监测 如果储存易燃易爆的液氢储箱发生泄漏， 必将 引起灾难性的事故， 因此对其进行泄漏监测也很重 要。 德国高技术物理学会的研究人员将钯金属用环 氧胶粘贴在光栅段， 制作成微弯梁氢传感器， 经过测 试， 氢气的密度与光栅的波长成正比 9G。 上海 交 通 大 学 和 哈 尔 滨 工 业 大 学 合 作 利 用 1;10 加工工艺在光栅处溅射上金属钯薄膜， 钯金 属吸收氢气后膨胀， 将变形传递给光栅， 从而制作成 氢传感器，
9、 来探测氢储箱是否泄漏 9H。试验结果表 明， 氢气浓度与光栅波长有线性关系。 !“# 和钯金属结合制作成氢传感器的原理都是 相同的， 不同的是制作方法。合理选择方法， 制作出 高精度、 低成本的氢传感器是研究的目标。 9复合材料压力容器健康监测工作展望 9(?还要开展的健康监测工作 ?C 第 $) 卷第 9 期压力容器总第 ?G$ 期 很多国家和研究者在复合材料压力容器上进行 了大量的监测工作， 取得了众多的成果， 尤其是使用 !“# 传感器做了大量的研究。当然， 许多复合材料 压力容器的健康监测工作还未展开。 首先， 复合材料压力容器受到内部压力和外部 环境的作用， 结构和材料自身会发生逐
10、步损伤。对 逐步损伤进行监测， 给出容器的剩余寿命具有重要 意义。 其次， 金属内衬和复合材料之间由于载荷和环 境的反复作用， 彼此之间的粘结界面会发生脱粘。 使用可埋入传感器， 监测两种材料界面的应变， 以考 察协调变形和粘结状况。 最后， 在复合材料压力容器上如何最少地布置 传感器， 能更多、 更准确地获取信息， 也是一项急需 解决的问题。 $% 纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其 标准情况 3 ; 压力容器， *EEFG.HFD/ =I J!+K ).D01.FL D= DA0 J1/=M0?G K1=E0FF.?D ,.?N I=1 +0OL.HF0 -.O?GA P0AGF0（+-P）
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17、-E2-，8-9,*0 D,J(*- 455.,3-*,0 $ ?#; !# NK( ! X-2 $ 7( ! +- S,)*+,V(*2 72 !PS2:+,23E X，T-2.2 T，U2+.2K)2 !A T S2 T-2.2，X S2:+,23E，T D02+1- R2-),V,.,*K 06 % ! T S2 T-2.2，X S2:+,23E，C （A） ：C! $ CB， CC?; ?“ D-+E F, D0 ：! $ !; ?# /-)3,-*, 7，S01- S-1-:2 4)2)12 A $ #“C#; ?! Z+- N2-.*9 D0 $ 71-+* 72 7，C?A： $
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