CN104655498B - 一种纱线弯曲刚度的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纱线弯曲刚度的测量装置及方法，所述测量装置由质量块、纱线夹具、定滑轮、纱线、压头、支架、底座、单轴拉伸试验机、电脑控制器和CCD相机构成，其中：所述单轴拉伸试验机的底座上固定有底座；所述底座上的左右两端分别固定有支架；所述支架的上端安装有定滑轮，纱线夹具固定在支架上；所述纱线穿过纱线夹具和定滑轮；所述质量块与纱线的一端连接；所述压头和单轴拉伸试验机上梁连接；所述电脑控制器与单轴拉伸试验机和CCD相机连接。本发明提供的纱线弯曲性能表征方法简单，突破了各向同性的假设；能够很好地表征纱线弯曲性能的非线性特性。

Description

一种纱线弯曲刚度的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量纱线弯曲刚度的装置及方法。

背景技术

织物增强树脂基复合材料成型工艺中，织物增强体的预成型精度对最终复合材料的力学性能影响显著，而织物增强体中纱线的弯曲刚度是影响织物增强体成型能力的主要因素之一。因此，掌握纱线的弯曲刚度，对织物增强体的预成型设计及成型精度具有重要的工程意义。

现有测量纱线弯曲刚度的测试方法主要有等截面悬臂梁法和卡尔列恩法，但因模型和实际弯曲存在差距，试验操作困难，或误差较大，而难以实施。

发明内容

为了克服上述方法的缺点，本发明在金属梁三点弯实验的启发下，提供了一种纱线弯曲刚度的测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种纱线弯曲刚度的测量装置，包括质量块、纱线夹具、定滑轮、纱线、压头、支架、底座、单轴拉伸试验机、电脑控制器和CCD相机，其中：

所述单轴拉伸试验机的底座上固定有底座；

所述底座上的左右两端分别固定有支架；

所述支架的上端安装有定滑轮，纱线夹具固定在支架上；

所述纱线穿过纱线夹具和定滑轮；

所述质量块与纱线的一端连接；

所述压头和单轴拉伸试验机上梁连接；

所述电脑控制器与单轴拉伸试验机和CCD相机连接。

一种利用上述装置测量纱线弯曲刚度的方法，包括如下步骤：

(1)在单轴拉伸试验机底座上安装底座；

(2)将纱线夹具固定在支架上；

(3)纱线穿过纱线夹具和定滑轮，通过位于底座左端的纱线夹具固定纱线左端；

(4)纱线右端连接一定质量的质量块，通过位于底座右端的纱线夹具固定纱线右端；

(5)开动单轴拉伸试验机，调整单轴拉伸试验机参数，下降速度为2～10mm/min；

(6)调整压头的高度至接触纱线的跨中部位；

(7)设置CCD相机，拍摄时间间隔设置为20～30秒；

(8)单轴拉伸试验机进行加载，同时CCD相机开始拍摄纱线弯曲形态；

(9)停止加载，对CCD相机拍摄照片进行分析，获取纱线在不同弯曲角时的弯曲形态，从而确定纱线的弯曲刚度，公式如下：

其中：h为跨中挠度，θ为纱线端部弯曲角，l为纱线跨距；x为纱线中的一个质量微元的横坐标，y为该质量微元的纵坐标，截面弯矩为M_(x，y)，T为跨中平衡力，T₀为预拉伸力，T₁和T₂为跨中平衡力T在Y方向和X方向的分力，f(T₀，θ)为弯曲刚度。

本发明具有如下优点：

(1)固支端最大限度地保持了纱线的截面形状而降低了测量误差；

(2)能够给纱线施加初始拉伸力，研究预拉伸力对纱线弯曲性能的影响；

(3)避免了测试过程中纱线自由端造成纱线扭转；

(4)纱线弯曲性能表征方法简单，突破了各向同性的假设；

(5)能够很好地表征纱线弯曲性能的非线性特性。

附图说明

图1为纱线三点弯实验装置图；

图2为实验装置位置图；

图3为纱线右半部分受力分析简图；

图中：1-质量块，2-纱线夹具，3-紧定螺钉，4-锁紧螺钉，5-定滑轮，6-纱线，7-压头，8-支架，9-底座，10-单轴拉伸试验机，11-电脑控制器，12-CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种纱线三点弯实验装置，如图1所示，该实验装置由质量块1、纱线夹具2、定滑轮5、纱线6、压头7、支架8、底座9、单轴拉伸试验机10、电脑控制器11和CCD相机12构成。其中：

所述单轴拉伸试验机10的底座上固定有底座9；

所述底座9上的左右两端分别固定有一个支架8；

所述支架8的上端安装有定滑轮5，纱线夹具2通过两个锁紧螺钉4固定在支架8上；

所述纱线6穿过纱线夹具2和定滑轮5，纱线6通过紧定螺钉3锁定在纱线夹具2上，纱线6弯曲端的有效长度为500mm；

所述质量块1与纱线6的一端连接，能够对纱线6施加预拉伸力作用；

所述压头7和单轴拉伸试验机10上梁连接，对纱线6的跨中部位施加向下的载荷。

实验时，需要的设备装置位置如图2所示。其中，电脑控制器11与单轴拉伸试验机10和CCD相机12连接，CCD相机12用于拍摄纱线6弯曲形态。

实验方法：

(1)在单轴拉伸试验机10底座上安装底座9；

(2)通过旋紧紧定螺钉4，固定两个纱线夹具2；

(3)纱线6穿过两个纱线夹具2和两个定滑轮5，旋紧左端的紧定螺钉3以固定纱线6左端；

(4)纱线6右端连接一定质量的质量块1，再旋紧右端的紧定螺钉3以固定纱线6右端；

(5)开动单轴拉伸试验机10，调整单轴拉伸试验机参数，下降速度为2～10mm/min；

(6)调整压头7的高度至接触纱线6的跨中部位；

(7)设置CCD相机12，拍摄时间间隔设置为20～30秒。

(8)单轴拉伸试验机10进行加载，同时CCD相机12开始拍摄纱线弯曲形态。

(9)停止加载，对CCD相机12拍摄照片进行分析，获取纱线在不同弯曲角时的弯曲形态，从而确定纱线的弯曲刚度。

弯曲刚度求解方法：

为了进行纱线弯曲性能的表征，取变形纱线的右半部分进行受力分析，如图3所示。其中，以跨中O为坐标原点，建立直角坐标系O-XY；T_o为纱线受到的预拉伸力，h为跨中挠度，θ为纱线端部弯曲角，l/2为纱线跨距的一半；纱线中的一个质量微元的坐标为(x，y)，截面弯矩为M_(x，y)，纱线对应曲率半径为ρ_(x，y)；跨中O处平衡力和平衡弯矩分别为T和M_o。

对跨中平衡力T沿X和Y方向进行分解，得到Y方向的分力T₁和X方向T₂：

由力矩平衡得到：

对于纱线任意位置处的质量微元，截面弯矩为：

M_(x，y)＝T₁x+T₂y-M_o (3)。

对于每个质量微元，截面弯矩和纱线在此处的曲率成正比，假设弯曲刚度为f(T₀，θ)，有如下关系：

(3)式代入(4)式得到一个关于y的常微分方程：

联立两个边界条件进行求解：

和

得到：

式(8)中，仅弯曲刚度f(T₀，θ)为未知量，可以在MATLAB软件中，利用Newton法求得。明显可以发现：弯曲刚度f(T₀，θ)是横坐标x的非线性函数，证明纱线的弯曲刚度不是常值，具有非线性；弯曲刚度f(T₀，θ)是纱线预拉伸力T₀的非线性函数，当T₀越大，f(T₀，θ)越大。

Claims (3)

1.一种纱线弯曲刚度的测量方法，其特征在于所述方法利用纱线弯曲刚度测量装置测量纱线弯曲刚度，所述测量装置由质量块、纱线夹具、定滑轮、纱线、压头、支架、底座、单轴拉伸试验机、电脑控制器和CCD相机构成，其中：

所述单轴拉伸试验机的底座上固定有底座；

所述底座上的左右两端分别固定有支架；

所述支架的上端安装有定滑轮，纱线夹具固定在支架上；

所述纱线穿过纱线夹具和定滑轮；

所述质量块与纱线的一端连接；

所述压头和单轴拉伸试验机上梁连接；

所述电脑控制器与单轴拉伸试验机和CCD相机连接；

具体测量步骤如下：

(1)在单轴拉伸试验机底座上安装底座；

(2)将纱线夹具固定在支架上；

(3)纱线穿过纱线夹具和定滑轮，通过位于底座左端的纱线夹具固定纱线左端；

(4)纱线右端连接一定质量的质量块，通过位于底座右端的纱线夹具固定纱线右端；

(5)开动单轴拉伸试验机，调整单轴拉伸试验机参数；

(6)调整压头的高度至接触纱线的跨中部位；

(7)设置CCD相机；

(8)单轴拉伸试验机进行加载，同时CCD相机开始拍摄纱线弯曲形态；

(9)停止加载，对CCD相机拍摄照片进行分析，获取纱线在不同弯曲角时的弯曲形态，从而确定纱线的弯曲刚度；

所述确定纱线弯曲刚度的隐式公式如下：

$\begin{array}{c}y=(-\frac{T_{1}l}{4T_2}-\frac{h}{2}+\frac{T_1}{2T_2}\sqrt{\frac{f(T_0,\mathrm{\θ})}{T_2}})e^{x\sqrt{\frac{T_2}{f(T_0,\mathrm{\θ})}}}\\ +(-\frac{T_{1}l}{4T_2}-\frac{h}{2}-\frac{T_1}{2T_2}\sqrt{\frac{f(T_0,\mathrm{\θ})}{T_2}})e^{-x\sqrt{\frac{T_2}{f(T_0,\mathrm{\θ})}}}\\ +(-\frac{T_{1}x}{T_2}+\frac{T_{1}l}{2T_2}+h)\end{array},$

其中：h为跨中挠度，θ为纱线端部弯曲角，l为纱线跨距；x为纱线中的一个质量微元的横坐标，y为该质量微元的纵坐标，截面弯矩为M_(x，y)，T为跨中平衡力，T₀为预拉伸力，T₁和T₂为跨中平衡力T在Y方向和X方向的分力，f(T₀，θ)为弯曲刚度。

2.根据权利要求1所述的纱线弯曲刚度的测量方法，其特征在于所述单轴拉伸试验机的下降速度为2～10mm/min。

3.根据权利要求1所述的纱线弯曲刚度的测量方法，其特征在于所述CCD相机的拍摄时间间隔设置为20～30秒。