CN105300583B - 一种碳纤维复合材料的冲击力测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料的冲击力测量装置及方法，本发明的可控强度脉冲电源的冲击电压或冲击强度由工业控制计算机通过可编程序控制器控制，冲击电压和流经被试碳纤维复合材料层合板的脉冲电流由电压传感器和脉冲电流检测单元取样，经示波器进行采集后传输给计算机控制和分析处理单元。经压电信号处理单元处理后的压电信号输入到A/D数据采集系统并将模数转换结果传输到计算机控制与分析处理单元。计算机对接收的数据进行处理和分析，便可得到被试碳纤维复合材料层合板所承受的冲击电压、流经的冲击电流与被试碳纤维复合材料层合板发生的形变或承受的冲击力之间的关系规律。
Description
技术领域
本发明属于材料测试技术领域，涉及一种碳纤维复合材料的测量，尤其是一种碳纤维复合材料在雷电作用下所承受的冲击力的测量方法及测量装置。
背景技术
碳纤维复合材料既具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀等特性，又具有纺织纤维的柔软可加工性，广泛应用于航空航天、军事及民用工业等各个领域。随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料技术的进步，碳纤维增强型聚合物复合材料CFRP(CarbonFiber Reinforced Polymers)在大型民用飞机、军用飞机、无人机及隐形飞机上的用量不断增长，从1960年麦道公司DC-9机型上CFRP的用量不足1％，到2011年末波音B787的主翼、尾翼、机体、地板等结构的50％用的是CFRP材料，预计2014年中期投入运行的空客A350XWA上CFRP材料所占的比例达到53％。
相比较飞机中传统使用的铝、钢和钛合金材料，CFRP的电传导性能差。一般来讲，CFRP层合板经向方向的电阻率为10-5Ω·m量级、横向平面方向的电阻率为10-1Ω·m量级、深度/厚度方向的电阻率更大。这就使得CFRP层合板在雷击情况下无法像金属材料那样具有短时间使积累的电荷迅速转移或扩散的能力，这部分积聚的能量以焦耳热的形式使得CFRP温度急剧升高，从而导致CFRP的纤维断裂、树脂热解、深度分层等严重损伤。
但雷电对飞机的直接效应除包含有包含着大电流引发的磁场力及焦耳热效应外，还包含雷电高压冲击波的冲击力效应。美国机动工程师协会SAE、美国军用标准MIL STD和欧洲民航组织EUROCAE对飞机及其部件的雷电直接效应的试验波形和试验方法做了详细规定，但碳纤维复合材料层合板在雷电作用下所承受的冲击力而引起的损伤和破坏效应研究并不太多。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种碳纤维复合材料的冲击力测量装置及方法，其能够得到碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下雷电强度与层合板形变或冲击力之间的内在关系。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明首先提出一种碳纤维复合材料的冲击力测量装置，包括脉冲电源1、被试碳纤维复合材料层合板2、压电传感器3、压电信号处理单元4、脉冲电流检测单元5和计算机控制与分析处理单元6；所述脉冲电源1的高压输出端与金属棒状电极12相连，金属棒状电极12与被试碳纤维复合材料层合板2的表面垂直并正对被试碳纤维复合材料层合板2的中心，被试碳纤维复合材料层合板2的另一端面通过平板电极13与脉冲电源1的低压端相连；在平板电极13的中央开设有安装绝缘板14的圆形或方形槽孔，所述绝缘板14的中央开设有安装压电传感器3的槽孔，压电传感器3的表面与绝缘板14的表面平齐并与被试碳纤维复合材料层合板2紧密接触；在被试碳纤维复合材料层合板2与脉冲电源1的低压端的连线上套接有脉冲电流检测单元5。
进一步，上述脉冲电源1为可控强度的脉冲电源。脉冲电源1由可控充电电源7、储能电容8、放电开关9、波形形成元器件10以及放电电压传感器11组成。
进一步，以上压电传感器3是具有压电效应的电介质材料。压电传感器3是压电晶体、压电陶瓷或压电薄膜材料。或者压电传感器3是光纤光栅分布式传感器。
进一步，上述压电信号处理单元4的作用是将压电传感器取样的信号进行处理，以便于压电信号进行数据采集和处理。
上述计算机控制与分析处理单元6包括可编程控制单元15、示波器16、数据采集单元17以及工业控制计算机18。
本发明还提出一种上述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置的测量方法，包括以下步骤：
1)计算机控制与分析处理单元6通过控制可编程控制单元15控制脉冲电源1的可控充电电源7对储能电容8充电电压的大小；当充电电压升高到预先设置的冲击强度或冲击电压时，计算机控制与分析处理单元6控制可编程控制单元15使放电开关9闭合，储能电容8通过波形形成元器件10对被试碳纤维复合材料层合板2进行冲击放电；
2)雷电冲击对被试碳纤维复合材料层合板2的冲击作用通过压电传感器3检测、压电信号处理单元4处理后输入到数据采集单元17，数据采集单元17将采集结果传输至工业控制计算机18；同时，施加在被试碳纤维复合材料层合板2的放电电压信号和流经的电流信号经放电电压传感器11和脉冲电流检测单元5的取样输入到示波器16，示波器16采集的结果同样传输至工业控制计算机18；工业控制计算机18对接收到的雷电冲击作用下被试碳纤维复合材料层合板2所承受的冲击力的压电信号、冲击电压信号和流经的电流信号处理和分析后，得到被试碳纤维复合材料层合板2所承受的冲击电压、流经的冲击电流与被试碳纤维复合材料层合板2所对应承受的冲击力或所发生的形变之间的规律。
本发明具有以下有益效果：
本发明的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，该装置通过可控强度脉冲电源的冲击电压或冲击强度由工业控制计算机通过可编程序控制器控制，冲击电压和流经碳纤维复合材料层合板的脉冲电流由电压传感器和脉冲电流检测单元取样，经示波器进行采集后传输给计算机控制和分析处理单元。经压电信号处理单元处理后的压电信号输入到A/D数据采集系统并将模数转换结果传输到计算机控制与分析处理单元。计算机对接收的数据进行处理和分析，便可得到碳纤维复合材料层合板所承受的冲击电压、流经的冲击电流与层合板发生的形变或承受的冲击力之间的关系规律。本发明能够精确的得到碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下雷电冲击强度与层合板形变或冲击力之间的内在关系，填补了本领域的技术空白。
附图说明
图1是本发明的碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下所承受的冲击力的测量方法及测量装置的组成框图；
图2是本发明的碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下所承受的冲击力的测量方法及测量装置的压电传感器的安装方法；
图3是本发明的碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下所承受的冲击力的测量方法及测量装置的可控强度脉冲电源的组成框图；
图4是本发明的碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下所承受的冲击力的测量方法及测量装置的计算机控制与分析处理单元的组成框图；
图5是本发明的碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下所承受的冲击力的测量方法及测量装置的测量方法和测量流程。
其中：1为脉冲电源；2为碳纤维复合材料；3为压电传感器；4为压电信号处理单元；5为脉冲电流检测单元；6为计算机控制与分析处理单元；7为可控充电电源；8为储能电容；9为放电开关；10为波形形成元器件；11为放电电压传感器；12为金属棒状电极；13为平板电极；14为绝缘板；15可编程控制单元；16为示波器；17为数据采集单元；18为工业控制计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-3：本发明首先提出一种碳纤维复合材料的冲击力测量装置，包括脉冲电源1、被试碳纤维复合材料层合板2、压电传感器3、压电信号处理单元4、脉冲电流检测单元5和计算机控制与分析处理单元6；脉冲电源1的高压输出端与金属棒状电极12相连，金属棒状电极12与被试碳纤维复合材料层合板2的表面垂直并正对被试碳纤维复合材料层合板2的中心且相距中心有一定的距离(距离可以调整)，被试碳纤维复合材料层合板2的另一端面通过平板电极13与脉冲电源1的低压端相连并接参考地。
如图2，在平板电极13的中央开设有安装绝缘板14的圆形或方形槽孔，所述绝缘板14的中央开设有安装压电传感器3的槽孔，压电传感器3的表面与绝缘板14的表面平齐并与被试碳纤维复合材料层合板2紧密接触；在被试碳纤维复合材料层合板2与脉冲电源1的低压端的连线上套接有脉冲电流检测单元5。
脉冲电源1为可控强度的脉冲电源。脉冲电源1由可控充电电源7、储能电容8、放电开关9、波形形成元器件10以及放电电压传感器11组成。压电传感器3是具有压电效应的电介质材料。压电传感器3是压电晶体、压电陶瓷或压电薄膜材料。或者压电传感器3是光纤光栅分布式传感器。压电信号处理单元4的作用是将压电传感器取样的信号进行处理，以便于压电信号进行数据采集和处理。如图3，计算机控制与分析处理单元6包括可编程控制单元15、示波器16、数据采集单元17以及工业控制计算机18。
参见图4，本发明碳纤维复合材料的冲击力测量装置的测量方法为：
雷电冲击对被试碳纤维复合材料层合板2的冲击作用通过压电传感器3检测、压电信号处理单元4处理后输入到数据采集单元17，数据采集单元17将采集结果传输至工业控制计算机18；同时，施加在被试碳纤维复合材料层合板2的放电电压(或冲击强度)信号和流经的电流信号经充电(或放电或冲击)电压传感器11和脉冲电流检测单元5的取样输入到示波器16，示波器16采集的结果同样传输至工业控制计算机。工业控制计算机将接收到的碳纤维复合材料层合板的压电信号、放电电压(或冲击强度)信号和流经的电流信号处理和分析后，便可以得到被试碳纤维复合材料层合板2所承受的冲击电压、流经的冲击电流与层合板所发生的形变或所对应承受的冲击力的相关规律。
参见图3、图4，图5，本发明的碳纤维复合材料层合板在雷电冲击作用下所承受的冲击力的测量方法及测量装置的控制过程是：计算机控制与分析处理单元6通过控制可编程控制单元15控制可控强度脉冲电源1的可调整充电电源7对储能电容8充电电压的大小；当充电电压升高到预先设置的冲击强度(或冲击电压)时，计算机控制与分析处理单元6控制可编程逻辑控制单元15使放电开关9闭合，储能电容8通过放电开关9、波形形成元器件10对被试碳纤维复合材料层合板2进行冲击放电。具体控制和测量流程如下：
(1)将可控强度脉冲电源1、金属棒状电极12、被试碳纤维复合材料层合板2、压电传感器3、所示接入图1所示回路中。
(2)在计算机人机交互显示界面上输入雷电冲击的电压值。
(3)通过计算机控制与分析处理单元6通过可编程控制单元15控制可调强度脉冲电源1的储能电容8两端的充电电压，使得施加在被试碳纤维复合材料层合板2的冲击强度和流经的冲击电流达到不同的值。
(4)工业控制计算机18通过示波器的通信接口获得来自冲击电压传感器11、脉冲电流检测单元5的冲击电压信号和雷电流信号，同时，工业控制计算机接收来自压电传感器3经压电信号处理单元4和数据采集单元17的输出信号。
(5)工业控制计算机18对接收的信号处理和分析，就可以得到一组被试碳纤维复合材料层合板2承受的形变或冲击力与的雷电冲击电压强度、流经被试碳纤维复合材料层合板2的冲击电流值，再经工业控制计算机的专用软件分析处理便可得到它们之间的内在关系。
Claims (9)
1.一种碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，包括脉冲电源(1)、被试碳纤维复合材料层合板(2)、压电传感器(3)、压电信号处理单元(4)、脉冲电流检测单元(5)和计算机控制与分析处理单元(6)；所述脉冲电源(1)的高压输出端与金属棒状电极(12)相连，金属棒状电极(12)与被试碳纤维复合材料层合板(2)的表面垂直并正对被试碳纤维复合材料层合板(2)的中心，被试碳纤维复合材料层合板(2)的另一端面通过平板电极(13)与脉冲电源(1)的低压端相连；在平板电极(13)的中央开设有安装绝缘板(14)的圆形或方形槽孔，所述绝缘板(14)的中央开设有安装压电传感器(3)的槽孔，压电传感器(3)的表面与绝缘板(14)的表面平齐并与被试碳纤维复合材料层合板(2)紧密接触；在被试碳纤维复合材料层合板(2)与脉冲电源(1)的低压端的连线上套接有脉冲电流检测单元(5)。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，所述脉冲电源(1)为可控强度的脉冲电源。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，所述脉冲电源(1)由可控充电电源(7)、储能电容(8)、放电开关(9)、波形形成元器件(10)以及放电电压传感器(11)组成。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，所述压电传感器(3)是具有压电效应的电介质材料。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，所述压电传感器(3)是压电晶体、压电陶瓷或压电薄膜材料。
6.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，所述压电传感器(3)是光纤光栅分布式传感器。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，所述压电信号处理单元(4)的作用是将压电传感器取样的信号进行处理，以便于压电信号进行数据采集和处理。
8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置，其特征在于，所述计算机控制与分析处理单元(6)包括可编程控制单元(15)、示波器(16)、数据采集单元(17)以及工业控制计算机(18)。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的碳纤维复合材料的冲击力测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算机控制与分析处理单元(6)通过控制可编程控制单元(15)控制脉冲电源(1)的可控充电电源(7)对储能电容(8)充电电压的大小；当充电电压升高到预先设置的冲击强度或冲击电压时，计算机控制与分析处理单元(6)控制可编程控制单元(15)使放电开关(9)闭合，储能电容(8)通过波形形成元器件(10)对被试碳纤维复合材料层合板(2)进行冲击放电；
2)雷电冲击对被试碳纤维复合材料层合板(2)的冲击作用通过压电传感器(3)检测、压电信号处理单元(4)处理后输入到数据采集单元(17)，数据采集单元(17)将采集结果传输至工业控制计算机(18)；同时，施加在被试碳纤维复合材料层合板(2)的放电电压信号和流经的电流信号经放电电压传感器(11)和脉冲电流检测单元(5)的取样输入到示波器(16)，示波器(16)采集的结果同样传输至工业控制计算机(18)；工业控制计算机(18)对接收到的雷电冲击作用下被试碳纤维复合材料层合板(2)所承受的冲击力的压电信号、冲击电压信号和流经的电流信号处理和分析后，得到被试碳纤维复合材料层合板(2)所承受的冲击电压、流经的冲击电流与被试碳纤维复合材料层合板(2)所对应承受的冲击力或所发生的形变之间的规律。
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