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项目批准号： 批准经费：收件日期： 年 月 日武汉理工大学自主创新研究基金项目计划任务书资助类型： 新教师科研启动基金项目 项目子类： 国内高校引进博士项目 项目名称：FBG网络监测碳纤维复合材料冲击分层损伤的机理研究资助经费： 5万元 执行期限： 2012 年1 月2013 年12 月 负 责 人： 冀 运 东 电子邮件： 移动电话：所在单位： 材料科学与工程学院 填表日期： 2012年3月 2010年制武汉理工大学自主创新研究基金资助项目计划任务书填 表 说 明 1、收到武汉理工大学自主创新研究基金资助项目批准通知(以下简称批准通知)后，请认真阅读本填报说明和学校相关项目及财务管理办法，按批准通知要求填写武汉理工大学自主创新研究基金项目计划任务书(以下简称任务书)。2、填写任务书时要求科学严谨、实事求是、表述清晰、准确。计划书经学校管理部门审核批准后，将作为项目研究计划执行和检查、验收的依据。3、本任务书一式四份，项目申请人、所在单位（学院或科研基地）各一份、项目主管部门二份。4、任务书应用钢笔填写或计算机打印填报，字迹要工整清楚，A4纸开本，于左侧装订成册，双面打印。一、基本信息申请人信息姓 名冀运东性别男出生年月1972.1民族汉最终学位博士授予国别中国毕业学校及年份华中科技大学,2005职称副教授职称时间2010校园卡号9375所在单位材料科学与工程学院来校时间2005年依托科研基地新材料复合新技术国家重点实验室项目信息名称中文FBG网络监测碳纤维复合材料冲击分层损伤的机理研究英文The study on testing mechanism for delaminate damage of CFRP impacted by FBG network 学科代码1学科代码2资助类型项目子项资助经费 5万元起止年月2012年1月2013 年 12月国民行业代码（国标以下信息由重大国际合作培育项目填写境外合作者基本信息英文姓名性别出生年月国家或地区中文姓名最高学位授予国别授予年份专业领域专业技术职务合作者单位中文英文电话传真电子邮件通讯地址合作协议名称协议签署时间1二、项目摘要中文摘要(200字以内)： 本项目将FBG光栅按照网络结构埋入碳纤维复合材料预浸料，利用热压罐工艺一体化成型含有FBG光栅智能网络的碳纤维复合材料。然后对该复合材料进行冲击实验，获得各种光栅网络的冲击非均匀应变数据数据，并且使用超声C扫监测冲击后的分层损伤，对比分析这两项实验数据，建立非均匀应变和冲击分层损伤的数学模型，并利用该模型说明FBG光栅测试碳纤维复合材料厘米级冲击损伤的机理。关键词(不超过5个，用分号分开) FBG光栅，冲击，分层，损伤，碳纤维复合材料Abstract（limited to 400 words）In this study, the FBG network is embedded CFRP by autoclave process. In the impacted testing for the CFRP included the FBG network, the on-line dates from the FBG network are obtained. After The CFRP is impacted, delaminate damage of CFRP is scanned by ultrasonic C-SCAN. By comparative analyzed the two groups dates, the mathematical mould for the relations of strain and delaminate damage is built. The testing mechanism for impacted delaminate damage of CFRP by FRP network is described by the mathematic mould.Keywords(1imited to 5 keywords，separated by; ): FBG，impact，delaminate，damage, CFRP三、项目主要研究内容（创新点、要解决的主要科学问题和技术难点）1.目的和意义1.1碳纤维复合材料低能量冲击损伤的研究现状与不足前表面目视几乎不可见损伤（BVID）是复合材料冲击损伤发展过程的重要特征。BVID虽然前表面目视难检，但内部和背面损伤可能已经很大，通常是分层损伤。造成成这种损伤的冲击能量一般比较小，冲击速度比较小。近年来，对低能量冲击种过 成BVID损坏伤检测的研究是碳纤维复合材料结构健康监测的热点之一。 目前常用的冲击损伤评价方法是： CAI法，凹坑法和准静态压缩法。这些方法均为事后评价，不能有效提高材料的许用值。其主要的问题在于不能有效评价低能量冲击造成成的BVID损伤中的分层损伤。因此对于BVID分层损伤评价需要新的方法，比如光纤光栅监测方法。1.2 FBG光栅监测碳纤维复合材料冲击分层损伤的研究现状 光纤具有足够的柔韧性、强度和耐热性使其很容易的嵌入复合材料层压板中，光纤还有抗电磁干扰和耦合性等诸多优点。这些优势使得光纤传感器成为航空复合材料的健康监测最有前途的一类技术创新。用于复合材料结构健康监测的光纤主要划分为如下类别：强度型OFS、干涉型OFS、布拉格光栅（FBG）传感器和分布式OFS。其中，FBG传感器测量的结果精确，用于测量应变和内部损伤有很高的灵敏度。 在该领域的研究中，日本东京大学的Takeda教授领导该校前沿科学研究院做了大量杰出的研究工作。该研究组主要做了三方面的工作：（a压电陶瓷（PZT）（锆钛酸铅）/光纤光栅混合传感系统，用于监测碳纤维复合材料箱形结构的胶合线（富士重工，日立电线有限公司，东京，东北大学，产业技术综合研究所大学）；（b）高度可靠的先进的网格结构（GRAGS）（三菱电机株式会社，东京大学）和（c）利用布里渊光学相关领域分析（BOCDA）分布式应变传感（三菱重工业）研究复合材料冲击损伤。 布里渊光时域反射仪（BOTDR）具有高空间分辨率和动态测量能力。PPP-BOTDA传感系统不仅实现了沿长度达1公里的光纤上的应变分布测，而且也对在10厘米的空间分辨率内的非均匀应变做出响应。由于PPP-BOTDA有很长的感应距离（1公里），而此数量的光纤足以覆盖整个结构。该技术可以监测沿面板凹凸处的嵌入光纤的应变，由此就可以检测出冲击损坏，而且可以大大减少传感的密度。 但是，通过布里渊光纤BGS的峰值频率来估测应力大小，实际上所得的应力是超过10cm的空间分辨率的平均应力，因此，一个基于BGS的峰值频率的简单分布式应变测量对厘米级的面板凹痕所引起的微小应变变化的检测是不充分的。 如前所述，FBG光栅具有精度高，响应速度快的特点，采样频率可以达到2K以上，更适合于冲击导致的非均匀应变的测量。因此研究FBG光栅监测碳纤维复合材料冲击分层损伤问题不仅理论上有很大意义，在技术上也有很大的可行性。日前这方面的研究在国内少有报道。1.3 本项目的创新点和拟解决的科学问题 创新点：采用分布式FBG光栅构成光栅网络，监测冲击造成的碳纤维复合材料厘米级冲击区域的非均匀应变（目前的水平是10cm级）。 科学问题：碳纤维复合材料冲击区域的应变为非均匀应变，且该应变是导致材料发生分层损伤的主要诱因，二者之间存在密切的物理关系。FBG光栅测试到的应变信息是二维的，而分层损伤是三维信息，因此必须解决如何用二维的非均匀应变信息来表达三维的分层损伤信息。这样才能建立非均匀应变和分层损伤的物理关系，进而建立数学模型，为监测碳纤维复合材料厘米级冲击分层损伤系统提供理论基础。2. 研究内容和预期成果2.1 研究内容（1） 使用热压罐工艺，将FBG光栅按照既定的几种网络结构埋入碳纤维复合材料预浸料（埋入方法见研究方法），固化成型制成各种板材。（2） 使用固定冲击能量对板材料进行冲击试验，获得各不同光栅网络的冲击响应数据，使用超声c扫检测分层面种和位置，并对实验数据进行分析。（3） 使用有限元模拟板材冲击试验，计算光栅网络测试点的应变数据和分层损伤状况，与实验数据进行比较和验证。3. 研究方法和技术路线3.1 研究方法3.1.1 复合材料厚度、铺层和光栅网络结构采用自制光纤光栅定位装置，将光纤光栅按照下面的几种结构埋入复合材料中。光纤留出一段在复合材料外面，使用焊接机将光纤延长，接入解调仪。按照0、45、-45、90s铺层结构，每层埋植10根光纤，每根光纤上刻10个光栅，煤层一共100个光栅。光栅与光栅之间的间距为10mm。厚度方向上，一种网络结构采用每一层铺设一组光栅，另一种采用每二层铺设一组光纤。3.1.2 冲击试验方法采用落槌式冲击试验机，按照几组固定的能量冲击实验板，采用频率为2K的解调仪采集光纤光栅的冲击响应数据。3.1.3 超声C扫测试被冲实验板的损伤情况3.1.4 对比研究第二项和第三项的实验数据，分析分层损伤和光纤网络所测的应变的关系。3.1.5 计算模拟冲击实验，对模型进行验证。3.2 技术路线采用不同内埋式光纤光栅网络测试复合材料冲击区域的非均匀应变，配合超声c扫的分层损伤测试结果，分析和建立FBG光栅网络所测应变数据和冲击分层损伤的对应关系模型。关通过模拟计算来验证模型。4.项目前期工作基础 项目申请人所在课题组是武汉理工大学复合大飞机材料与结构与检验中心。课题组在大飞机复合材料选择和光纤埋入复合材料方面进行了大量前期工作，积累了丰富的经验，使用光纤Bragg光栅实时监测了复合材料真空灌注成型固化过程，并进行了应变和温度的解耦计算。在武汉理工大学创新基金项目和上海商用飞机有限公司项目的资助下，已解决了FBG光栅埋入复合材料的成型工艺问题，研究了FBG光栅耐温涂层的问题。项目组围绕FBG光栅对复合材料性能的影响，以及FBG光栅对复合材料健康监测的等研究领域进行了大量工作，目前在硬件和软件商已经形成了一定的特色和优势，本项目的申请是建立在前面工作奠定的理论和技术基础及研究成果基础上的，是前期的进一步深入。四、项目的考核指标包括预期研究成果：如形成的专利、论文专著等数量、指标及其水平等；申报国家项目计划目标项目研究要达到的预期目标等4.1 预期研究成果（1）发表SCI检索论文2篇，EI检索论文2篇。（2）申报发明专利1项。4.2 申报国家项目计划（1）申报国家自然科学基金计划。4.3项目研究要达到的预期目标（1）获得厘米级测试分辨率的FBG光栅网络。（2）建立FBG光栅网络所测应变数据和冲击分层损伤的对应关系模型。五、项目的年度计划及年度目标年度项目的年度计划及年度目标2012年本年度主要完成实验工作。（1） 分布式FBG光栅网络的制备和埋入工作。（2） 复合材料冲击实验。（3） 受冲区域的非均匀应变测量。（4） 受冲区域的损伤状况测量。工作成果体现方式：（1） 年底前提交发明专利说明书。（2） 中期研究总结报告。（3） 2-3篇论文投稿。2013年本年度主要完成理论工作。（1） 通过研究冲击过程应变的变化和分层损伤的细观模型，研究二维应变信息表达三位分层损伤信息的方法，建立相应的物理模型。（2） 根据上述物理模型建立相应的数学模型，并进行模拟计算。工作成果体现方式：（1）2-3篇论文投稿。（2）研究总结报告。六、经费预算表项目名称：FBG网络监测碳纤维复合材料冲击分层损伤的机理研究 项目编号： 预算编制说明：1、项目负责人应会同财务部门共同编制经费预算，项目执行后，严格按照批复的预算及相关管理办法使用经费。2、预算表经项目负责人签字确认后，一般不予调整。3、基金项目经费须在预算年度内执行完毕，如年底仍有结余的，学校将减拨下一年度经费 4、项目经费须在项目正常结题后一周内使用完毕，过期或结题项目剩余经费全部收回。预算科目预算经费（万元）预算年度备注（计算依据与说明）1. 设备费0.32012冲击实验机改造2. 材料费2.52012碳纤维预浸料3. 测试化验加工费1.22012热压罐模具加工费,测试费4. 差旅费0.5小于总经费10%5. 会议费仅限于人文社科重点及批准经费10万元以上项目，由项目主管部门审核开支6. 国际合作与交流费7. 出版/文献/信息传播/知识产权事务费0.2打印费,文献检索费8. 劳务费0.3小于总经费10%合 计5 项目负责人签字： 计划财务处（公章） 年 月 日 年 月 日七、武汉理工大学自主创新研究基金资助项目签批审核表申请人承诺 本人接受武汉理工大学自主创新研究基金项目的资助，将按照申请书、项目批准意见和任务书负责实施本项目(批准号： )，严格遵守武汉理工大学自主创新研究基金管理暂行办法、相关实施细则及财务管理办法规定，认真履行项目负责人职责，按时报送有关材料并接受检查,对资助项目发表的论著和取得的研究成果进行标注，中英文标注为“中央高校基本科研业务费专项资金资助”（supported by“the Fundamental Research Funds for the Central Universities”）。 申请人（签名）： 年 月 日 所在单位意见所在单位意见：我单位同意承担武汉理工大学自主创新研究基金项目，将保证项目负责人及其研究队伍的稳定和研究项目实施所需的条件，严格遵守武汉理工大学自主创新研究基金有关资助项目管理、财务等各项规定，并督促实施。负责人（签名）： 单位公章 年 月 日项目主管部门审核意见项目主管部门意见： 同意按计划任务书执行，报校主管领导审批后下达经费。负责人（签名）： 单位公章 年 月 日自主创新研究基金项目开支范围及有关情况说明一、自主创新研究基金项目开支范围：（一）设备费：是指在课题研究开发过程中购置或试制专用仪器设备，对现有仪器设备进行升级改造，以及租赁外单位仪器设备而发生的费用。专项经费要严格控制设备购置费支出。 （二）材料费：是课题研发中消耗的各种原材料、辅助材料等低耗品的采购及运输、装卸、整理等费用。 （三）测试化验加工费：是指在课题研究开发过程中支付给外单位（包括课题承担单位内部独立经济核算单位）的检验、测试、化验及加工等费用。（四）差旅费：是指在课题研究开发过程中开展科学实验（试验）、科学考察、业务调研、学术交流等所发生的外埠差旅费、市内交通费用等。差旅费的开支标准应当按照国家有关规定执行。 （五）会议费：是指在课题