高精度光学透视测量树脂基复合材料内部三维离面位移场分布

本项目提出使用激光波长断续扫描散斑干涉技术，高精度透视测量树脂基复合材料内部三维离面位移场分布。首先，以4个温度调制输出光波长DFB半导体激光器为光源，建立一套的共光路斐索干涉系统；其次，结合非线性最小二乘法和CZT变换，设计波长断续扫描干涉频谱算法；在众多的干涉频率信号中，使用旋转矩阵法提取有用信号；发展基于小波变换和傅立叶变换的尺度-频率变换算法；最后，通过建立样件加载和标定装置，精密测量各项同性和各项异性两种树脂基复合材料样件内部三维离面位移场分布，测量与数值计算结果互相比对验证。在研究技术手段方面，首次提出使用断续波长扫描干涉方法，未见任何正式文献报道；研究目标及时反映了国际上的最新进展，使复合材料的力学量测量从二维表面发展到三维内部；研究结果可以推广应用于直接探测FRP材料内部的微米级细微缺陷。本项目将为我国树脂基复合材料力学分析测量和无损检测提供一个新技术平台。

树脂基复合材料零部件在航天航空等领域有着广泛的应用，但是，高精度测量其内部的力学性能仍然是一个空白。2004年，国外提出使用光学干涉方法透视测量树脂基复合材料内部三维离面位移场分布。基于申请人的国外研究经验，本项目提出多种方法和设计多种系统对透视测量树脂基复合材料内部三维位移场分布进行深入的研究。.首先，设计和建立了半导体激光器断续波数扫描干涉系统。其深度方向轮廓测量分辨率：0.4mm、深度方向位移测量分辨率：100nm、水平方向视场范围：15mm、水平方向轮廓测量分辨率：8m、测量深度：50mm、测量速度：2分钟。其次，设计和建立了相位对照谱层析B扫描测量系统。其深度方向轮廓测量分辨率：13μm、深度方向位移测量分辨率：100nm、水平方向视场范围：3mm、水平方向轮廓测量分辨率：1.5m、测量深度：5mm、测量速度：2帧图像。.在完成研制测量系统和方法的基础上，本研究对各种自制和商业化的树脂基复合材料样件的内部三维切面和离面位移场分布进行了广泛的实验测量。具体包括：1) 单层和多层、纯净或掺杂少量1m TiO2颗粒的树脂基复合材料样件；2) 内嵌玻璃纤维布的树脂基复合材料样件；3) 商用玻璃纤维增强树脂基复合材料样件；4) 商用碳纤维增强树脂基复合材料样件；5)不同温度场分布的情况下，硅胶板内部的离面位移场分布。.在进行光学干涉系统研究的同时，我们又对数字图像体相关算法(DVC)测量物体内部三维位移场分布进行了初步研究，为未来设计z-stack系统测量碳纳米管复合材料内部三维位移场分布开辟了道路。我们也对基于相位轮廓法的大尺度高聚物零件的变形场分布测量进行系统研制和EVA材料板变形测量的实验研究，结果证明实验方法可行，测量精度达到0.03mm。.本项目研究使树脂基复合材料的力学性能测量方法从二维表面发展到三维内部。目前的研究水平反映了国际上的最新进展，总体上与国外相当，在树脂基复合材料的应用测试方面略有领先。本项目将为我国树脂基复合材料力学分析测量和无损检测提供一个新技术手段和技术平台。