【摘 要】
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螺栓连接结构具有承载力强、便于拆卸、互换性等优点,在飞机和发动机的零部件结构中得到了广泛的应用。由于飞机及发动机在工作中不可避免地会遭受气动载荷、随机振动等因素的影响,致使螺栓接头的预紧力减小,接头表面发生松动、滑移,由此带来连接结构刚度降低,变形增加,加之孔周存在应力集中隐患,从而加剧结构出现失效的风险。因此对螺栓连接结构进行全周期的状态监测,具有重要的现实意义和应用价值。基于碳微纳米传感器在结
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螺栓连接结构具有承载力强、便于拆卸、互换性等优点,在飞机和发动机的零部件结构中得到了广泛的应用。由于飞机及发动机在工作中不可避免地会遭受气动载荷、随机振动等因素的影响,致使螺栓接头的预紧力减小,接头表面发生松动、滑移,由此带来连接结构刚度降低,变形增加,加之孔周存在应力集中隐患,从而加剧结构出现失效的风险。因此对螺栓连接结构进行全周期的状态监测,具有重要的现实意义和应用价值。基于碳微纳米传感器在结构健康监测领域的显著优势,本文一方面制备了具有超宽压力监测范围的MXene压阻传感器,在发动机机匣安装边一个扇区内阵列铺设了27个MXene传感器作为接触应力监测点,根据MXene传感器的电阻变化率时域响应及标定曲线,可以得到对应监测点的应力变化,对比有限元仿真结果,表明通过MXene传感器可以实现机匣安装边在预紧过程中的应力分布动态测量;另一方面,利用碳纳米纸传感器对复合材料螺栓连接结构进行静动态损伤监测,对孔周应力集中区域的损伤演化进行在线评估。在拉伸载荷作用下,依据传感器的ΔR/R0指标,将结构损伤过程量化为四个级别(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ),尤其是当损伤发展到Ⅲ期时,ΔR/R0的变化率从0.25阶跃到0.75,该阶跃信号的时间点比最大承载强度的时间点提前约20%,可以有效地预警结构故障的发生。在振动载荷作用下,同样可以通过ΔR/R0从0.01阶跃至0.28作为裂纹萌生的依据,将监测周期分为裂纹萌生区和裂纹扩展区,实现结构全寿命健康监测。
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