CN105588673B - 一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，为定量研究复合材料残余应力的积累与变化过程奠定基础。进行复合材料成型过程中模具—构件作用力监测时，采用以下步骤：一、在支撑模具上依次铺放FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料、模具板、光纤光栅传感器，并用真空袋进行密封；二、光纤光栅传感器与解调仪相连，采用热压罐工艺进行成型，其中光纤光栅传感器对固化过程应变进行实时监测；三、对采集的数据进行处理，最后计算出模具与构件之间的脱粘应力和滑动摩擦应力。该方法可以测试热压罐成型工艺中不同模具与构件之间的作用力，具有操作简单、实时监测、准确性高的特点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料力学性能评估领域，尤其涉及一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料(CFRP)构件因其优异的性能在航空航天领域得到广泛的应用。但构件的尺寸稳定性较差，给装配增加了时间和成本。CFRP在固化成型工艺过程中产生的残余应力会造成构件变形，影响料构件尺寸。正确理解残余应力的形成过程，预测CFRP构件的变形量，通过修改模具等手段，利用这一部分变形使CFRP构件的最终尺寸符合装配要求，可以极大地节省制造成本。
影响残余应力的很多，包括纤维与树脂热膨胀系数的不匹配、树脂聚合时的化学收缩、结构与模具的相互作用等。复合材料各向异性的铺层，纤维与树脂热膨胀系数的差异，树脂化学收缩是影响残余应力的主要因素。但经常可以观察到对称铺层的较薄层合板也存在翘曲，这是在固化完成后，降温过程中，由于结构与模具的热膨胀系数不同造成的。在加热过程中，因压力的作用模具与层合板会粘接到一起，模具的膨胀会带动层合板紧靠模具的部分延伸并在界面上产生一个剪切力，并在厚度方向形成梯度分布，固化完成脱模后造成弯曲变形。
目前，国内针对模具-构件作用力的研究较少，也鲜有公开发表与监测模具-构件作用力相关的科研成果。中国专利200910011933“复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法”只提供复合材料构件内部残余应变监测方法，未考虑模具与复合材料构件之间作用力。国外的Kaushik等人提出了一种测试模具构件间静态与滑动摩擦系数的方法，只解释了摩擦系数随固化过程的进行而发生变化的原因，未提供模具—构件作用力有效监测方法。大量针对复合材料结构固化残余应力与变形的研究都忽略了模具的影响，只有考虑模具作用才能够更加准确地预测变形。因此，如何有效监测复合材料构件与模具之间残余应力，提高工业仿真模拟精确性，成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，提供一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，用于监测碳纤维增强复合材料成型过程中模具与构件之间的作用力，为定量研究复合材料残余应力的积累与变化过程奠定基础。该方法可以测试热压罐成型工艺中不同模具与碳纤维增强复合材料构件之间的作用力，具有操作简单、实时监测、准确性高的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在支撑模具上依次铺放FEP(全氟乙丙烯)薄膜层、CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)、模具板、光纤光栅、CFRP构件预成型材料，并将以上所述FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)、模具板、光纤光栅使用真空袋进行整体密封，光纤光栅一端的尾纤与光纤光栅解调仪连接；步骤二，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型，成型过程中，用光纤光栅解调仪监测光纤光栅的反射光谱，记录中心波长的偏移，得到CFRP构件，对该CFRP构件的固化过程应变进行实时监测；步骤三，计算模具板与CFRP构件之间的脱粘应力和滑动摩擦应力。
按上述技术方案，模具板为铝板或殷钢板或碳钢板，模具板的厚度为0.5～1mm。
按上述技术方案，光纤光栅的数量为8个，沿模具板的长度方向均匀设置，每个光纤光栅均通过耐高温胶粘接在模具板的上表面。
按上述技术方案，所述光纤光栅一端的尾纤从模具板上表面引出，通过钢套管保护与光纤光栅解调仪连接。防止光纤在模具板边缘受压折断。
按上述技术方案，光纤光栅为中心波长为1545nm或1550nm的裸栅。光纤使用直径125μm的光纤。
按上述技术方案，CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)的大小与模具板的大小一致。
按上述技术方案，所述步骤三中，具体包括，对光纤光栅所测的原始数据进行温度应变、机械应变解耦，得到模具板表面总应变变化，然后从模具板表面总应变中除去模具板材质本身的自由热膨胀产生的应变，得到模具板表面机械应变变化。其中，模具板—CFRP构件之间的脱粘应力τdebond的计算：
τdebond＝2(εf-∈i)ttoolEtool/Ls
式中，εf-εi为模具板的机械应变变化时峰值与谷值之差；ttool为模具板的厚度；Etool为模具板的弹性模量；LS为模具板表面的应力传递区域的长度。
模具板—CFRP构件之间的滑动摩擦应力τsld的计算：
式中，为模具板表面的滑动应变随位置的变化率；ttool为模具板的厚度；Etool为模具板的弹性模量。
按上述技术方案，所述步骤二中，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型过程中，CFRP构件预成型材料组装(CFRP构件预成型材料组装包括真空袋及其内部的FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料、模具板、光纤光栅组件)与风机出风口相对垂直放置在热压罐内，确保CFRP构件预成型材料的温度场均匀。
本发明产生的有益效果是：本发明方法用于监测碳纤维增强复合材料成型过程中模具与构件之间的作用力，为定量研究复合材料残余应力的积累与变化过程奠定基础。采用本发明方法，在不破坏结构的前提下实现对复合材料构件固化成型后的脱粘力和滑动摩擦力测量，测量值稳定可靠，重复性好，准确性高，实现了复合材料制作过程的在线监测，更为复合材料残余应力数值仿真模拟提供了依据。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例中光纤光栅在模具板上的粘贴位置示意图；
图2为本发明实施例中封装实验中CFRP构件预成型材料组装结构示意图；
图3为本发明实施例中监测工作时的系统示意图；
图4为本发明实施例中模具板表面总应变变化曲线；
图5为本发明实施例中模具板本身热膨胀系数测试曲线；
图6为本发明实施例中模具板表面机械应变变化曲线；
其中，1—支撑模具；2—密封胶；3—抽真空管件；4—全氟乙丙烯薄膜层；5—CFRP构件预成型材料；6—模具板；7—光纤光栅传感器；8—真空袋；9—钢套管；10—真空泵；11—热压罐控制系统；12—热压罐设备；13—光纤光栅解调仪；14—计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，提供一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在支撑模具上依次铺放FEP(全氟乙丙烯)薄膜层、CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)、模具板、光纤光栅，并将以上所述FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)、模具板、光纤光栅使用真空袋进行整体密封，光纤光栅一端的尾纤与光纤光栅解调仪连接；步骤二，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型，成型过程中，用光纤光栅解调仪监测光纤光栅的反射光谱，记录中心波长的偏移，得到CFRP构件，对该CFRP构件的固化过程应变进行实时监测；步骤三，计算模具板与CFRP构件之间的脱粘应力和滑动摩擦应力。
进一步地，模具板为铝板或殷钢板或碳钢板，模具板的厚度为0.5～1mm。
本发明实施例中，进一步地，光纤光栅的数量为8个，沿模具板的长度方向均匀设置，每个光纤光栅均通过耐高温胶粘接在模具板的上表面。
进一步地，所述光纤光栅一端的尾纤从模具板上表面引出，通过钢套管保护与光纤光栅解调仪连接。防止光纤在模具板边缘受压折断。
本发明实施例中，进一步地，光纤光栅为中心波长为1545nm或1550nm的裸栅。光纤使用直径125μm的光纤。
本发明实施例中，进一步地，CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)的大小与模具板的大小一致。
本发明实施例中，进一步地，所述步骤三中，具体包括，对光纤光栅所测的原始数据进行温度应变、机械应变解耦，得到模具板表面总应变变化，然后从模具板表面总应变中除去模具板材质本身的自由热膨胀产生的应变，得到模具板表面机械应变变化。
进一步地，所述步骤二中，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型过程中，CFRP构件预成型材料组装(CFRP构件预成型材料组装包括真空袋及其内部的FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料、模具板以及光纤光栅组件)与风机出风口相对垂直放置在热压罐内，确保CFRP构件预成型材料的温度场均匀。
本发明的较佳实施例中，提供一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，采用以下步骤：第一步，材料准备。将单向碳纤维预浸布按照模具板大小裁剪9块，并采用单向铺层铺贴。如图1所示，将8根光纤光栅对称粘贴在大小为360×100×0.6mm的模具板上，粘贴所用胶水为耐高温环氧胶，保证固化成型过程中不移动。
如图2所示，在支撑模具1上依次铺放FEP薄膜层4、CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)5、模具板6、光纤光栅传感器7，并用真空袋8和密封胶2对它们和CFRP构件预成型材料进行密封，然后真空泵10通过抽真空管件3对真空袋进行抽真空。模具板与碳纤维预浸布铺层接触的一面打上脱模蜡。光纤光栅粘贴在模具板的中轴线上，监测点位置分布均匀、对称，预先与模具板用耐高温胶粘结固定，保证不移动。光纤光栅一端的尾纤从模具板上表面引出，通过钢套管9保护与光纤光栅解调仪连接。其中，光纤选用标准直径125μm的光纤，光纤光栅中心波长为1545nm和1550nm，光纤从模具板中引出需用钢套管保护。其中，碳纤维预浸布是由碳纤维纱、环氧树脂、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料预成型体。
第二步：固化成型监测。如图3所示，将光纤光栅连接在光纤光栅解调仪13上，光纤光栅解调仪与计算机14相连。其中光纤光栅解调仪为Micron Optics的sm 130解调仪，可对FBG传感器的反射波长进行实时监测。
为了确保CFRP构件预成型材料的温度场均匀，CFRP构件预成型材料组装(CFRP构件预成型材料组装包括真空袋及其内部的FEP薄膜层、碳纤维预浸布铺层、模具板、光纤光栅组件)与风机出风口相对垂直放置在热压罐设备12内。热压罐控制系统13成型过程进行控制。对热压罐成型工艺按照设定好的固化工艺曲线进行，固化全过程施加500KPa气压。
第三步：数据处理，对光纤光栅所测的原始数据进行温度应变、机械应变解耦得到了模具板表面总应变变化，如图4所示，然后从总应变中除去模具板本身的自由热膨胀(图5)产生的应变而得到模具板表面机械应变变化，如图6所示。
其中，模具板—CFRP构件之间的脱粘应力τdebond的计算：
τdebond＝2(εf-∈i)ttoolEtool/Ls
式中，εf-εi为模具板的机械应变变化时峰值与谷值之差；ttool为模具板的厚度；Etool为模具板的弹性模量；LS为模具板表面的应力传递区域的长度。
模具板—CFRP构件之间的滑动摩擦应力τsld的计算：
式中，为模具板表面的滑动应变随位置的变化率；ttool为模具板的厚度；Etool为模具板的弹性模量。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，在支撑模具上依次铺放FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料、模具板、光纤光栅，并将以上所述FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料、模具板、光纤光栅使用真空袋进行整体密封，光纤光栅一端的尾纤与光纤光栅解调仪连接；步骤二，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型，得到CFRP构件，对该CFRP构件的固化过程应变进行实时监测；步骤三，计算模具板与CFRP构件之间的脱粘应力和滑动摩擦应力，具体为对光纤光栅所测的原始数据进行温度应变、机械应变解耦，得到模具板表面总应变变化，然后从模具板表面总应变中除去模具板材质本身的自由热膨胀产生的应变，得到模具板表面机械应变变化。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，其特征在于，模具板为铝板或殷钢板或碳钢板，模具板的厚度为0.5～1mm。
3.根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，其特征在于，光纤光栅的数量为8个，沿模具板的长度方向均匀设置，每个光纤光栅均通过耐高温胶粘接在模具板的上表面。
4.根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，其特征在于，所述光纤光栅一端的尾纤从模具板上表面引出，通过钢套管保护与光纤光栅解调仪连接。
5.根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，其特征在于，光纤光栅为中心波长为1545nm或1550nm的裸栅。
6.根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，其特征在于，CFRP构件预成型材料的大小与模具板的大小一致。
7.根据权利要求1或2所述的光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，其特征在于，所述步骤二中，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型过程中， CFRP构件预成型材料组装与风机出风口相对垂直放置在热压罐内，确保CFRP构件预成型材料的温度场均匀。
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