软管中粘结传感器层的力学机制：抑制失稳与失效以提升传感可靠性

本文通过有限元模拟（FE）与实验验证，系统研究了粘结传感器层对软质薄壁管弯曲诱导椭圆化（ovalization）、屈曲（buckling）及失效的抑制机制，提出关键参数（长度比、厚度比、包裹角、相对刚度）的优化阈值，为智能管道（smart pipelines）和结构健康监测（SHM）提供设计准则，显著提升传感可靠性。

　　

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Computational and Experimental Approach

为探究粘结传感器层对管体变形的影响，本研究采用商用软件 Abaqus^TM 进行有限元（FE）模拟。通过 SolidWorks^TM 生成不同几何参数的传感器层集成管体模型并导入 Abaqus^TM。管体材料赋予 neo-Hookean 超弹性模型，系数为 C₁₀ = 1 MPa 和 D₁ = 0.01 MPa?1，以反映软材料特性。

Baseline Behavior of the Tube under Bending Loads

初始模拟研究了无传感器层管体的弯曲行为，以建立椭圆化与屈曲的几何影响基线。采用如第2节所述的 neo-Hookean 模型。如图2(a)所示，管体绕其中平面弯曲角度 θ。弯曲过程中，假设两端横截面保持恒定，并通过位移控制加载实现目标角度。管体外径为...

Bending Behavior of the Tube with Bonded Sensor Layer

本节基于第2章的计算与实验方法，探究粘结传感器层对软质薄壁管变形与屈曲行为的影响。如图3(a)所示，管体长度为 L、厚度为 t、剪切模量为 μ_t。传感器层粘结于管体中段，长度为 l、厚度为 t_l、剪切模量为 μ_l。包裹角 α 定义层覆盖的正中心角。四个归一化参数...

Conclusion

本研究通过集成有限元分析与实验验证，系统探讨了粘结传感器层在抑制软质薄壁管弯曲诱导椭圆化、屈曲及层失效方面的力学机制，旨在提升操作条件下的传感可靠性。我们证明关键参数——包括长度比、厚度比、包裹角和相对刚度——主导结构失稳的起始与演化...