CN105758793A - 面向固化过程的复合材料与模具界面力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监测复合材料在固化过程中，其与模具相互作用力的方法。本发明中，在复合材料接触的模具表面分布设置多道沟槽，应变传感器埋入沟槽中，传感器测量区域两端与模具固定。将传感器测得的应变信号换算为复合材料与模具之间的应力值，实现固化过程复合材料与模具之间相互作用力的监测。本发明实现了固化过程中复合材料与模具之间的相互作用力的有效监测，为复合材料固化变形预测和控制提供技术支持。

Description

面向固化过程的复合材料与模具界面力监测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料固化成型技术，尤其是一种复合材料与模具在固化过程中相互作用力监测技术，具体地说是一种面向固化过程的复合材料与模具界面力监测方法。

背景技术

目前，复合材料作为一种新型材料，保留组成材料的主要优点，克服或者减少组成材料的缺点，还可以产生组分材料所没有的一些优异性能，因此在工业领域和生活领域得到广泛的应用。然而，由于复合材料与模具热膨胀系数难以匹配，导致在固化过程中，复合材料与模具之间产生界面力。该界面力致使复合材料产生翘曲、回弹等现象，严重影响复合材料外形精度以及增加装配难度。因此，监测复合材料与模具之间的界面力，是预测和控制复合材料固化变形的技术前提。

现阶段，研究复合材料与模具之间相互作用力的主要测量方法有：

①采用剪切层代替模具，根据最终变形量设计剪切层厚度与热膨胀系数，模拟仿真复合材料与模具之间相互作用力。

②用摩擦系数与摩擦力替代。设定装置离散地测定模具与复合材料之间摩擦系数随固化度变化关系。以摩擦力来形容界面力。

③传感器检测。在复合材料或者模具上放置传感器，直接监测界面力。

上述方法中，第一种方法虽然有利于减少实验测量工作量，然而无法实现界面力监测。第二种方法虽然能实现复合材料离散性监测，然而摩擦系数的测量受到诸多因素影响，如模具与复合材料相对运动速度，因此测量精度较低。第三种方法虽然实现监测界面力，然而该方法不考虑传感器本身测量方法上的误差，如传感器测量部分应变分布不均，模具厚度方向应力梯度，树脂流动等因素，因此精度较低。并且将传感器放置在复合材料内部的方法，不仅影响复合材料性能，传感器也只能使用一次。

发明内容

本发明的目的是针对现有的复合材料与模具界面力测量存在的精度不高或测量过程复杂的问题，发明一种面向固化过程的复合材料与模具界面力监测方法。

本发明的技术方案是：

一种面向固化过程的复合材料与模具界面力监测方法，其特征在于：在模具与复合材料接触的表面分布设置多道可在任意方向上连续或不连续分布的沟槽，优选沿模具长度与宽度方向分布；应变传感器放入沟槽中，沟槽表面密封，沟槽深度不小于传感器直径或截面高度，优选高于传感器直径或截面高度0.05mm至0.25mm，传感器测量区域与沟槽四周壁面无接触，测量区域两端固定在沟槽内；将传感器在固化过程中受到的应变换算为复合材料与模具之间的界面应力。

所述的沟槽沿模具长度与宽度方向分布。

所述的沟槽深度比传感器直径或截面高度大0.05mm-0.25mm。

所述的复合材料为纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料和晶须增强陶瓷基复合材料中的一种；所述的模具为金属模具、复合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具或石膏材料模具中的一种。

所述的传感器为光纤光栅传感器、金属应变片或其他类型应变传感器；传感器测量区域中点放置于与沟槽排布方向垂直的模具中心线上。

依据测量应变与模具在该测量方向弹性模量的关系，计算得到传感器所受正应力；在模具沟槽方向上，基于界面力与正应力力学平衡关系，以及复合材料边缘处模具受到应力为零的边界条件，计算与沟槽同等截面积，从传感器固定点至复合材料边缘的模具表面区域累积应力，此累积应力为界面力。

所述的沟槽为长方体或圆柱体结构。

本发明中，在模具与复合材料接触的表面分布设置多道沟槽，应变传感器埋入沟槽中，沟槽表面密封，传感器测量区域与沟槽四周壁面无接触，测量区域两端固定在沟槽内；将传感器在固化过程中受到的应变换算为复合材料与模具之间的应力。模具表面的沟槽可沿模具的整个长度与宽度连续分布，也可不连续分布，也可只在一个方向连续或不连续分布；沟槽深度可以为传感器直径或截面高度的整数倍，优选的深度为稍大于传感器直径或截面高度0.05mm至0.25mm，沟槽可为长方体或圆柱体；沟槽表面可用胶带或金属薄覆盖方式密封，测量区域不能与密封材料接触，测量区域两端固定方式可采用胶接固定，固定部分高度不超过沟槽深度。所述的复合材料，可为纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料和晶须增强陶瓷基复合材料中的一种；所述的模具为金属模具、复合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具或石膏材料模具中的一种。所述的传感器，其直径或截面高度低于模具厚度，传感器可为光纤光栅传感器、金属应变片或其他类型应变传感器；传感器测量区域中点优选放置于与沟槽排布方向垂直的模具中心线上。

本发明专利可以包括以下步骤：

首先，在模具与复合材料接触的表面分布设置多道可在任意方向上连续或不连续分布的沟槽；使沟槽深度不小于传感器直径或截面高度；

其次，将应变传感器放入所述沟槽中，同时将沟槽表面密封，应使传感器测量区域与沟槽四周壁面无接触，测量区域两端固定在沟槽内；

第三，将传感器在复合材料固化过程中受到的应变送入计算机进行换算，得到复合材料与模具之间的界面应力。

本发明的有益效果：

本发明能够实现对复合材料与模具界面力实时精确监测，为复合材料固化变形预测和控制提供了技术支持。

本发明能够实现不同复合材料与同一模具在固化过程中界面力反复监测。

附图说明

图1是本发明的沟槽分布示意图。

图2是本发明的传感器安装结构示意图。

图中：1为模具，2这复合材料，3为沟槽，4为固定胶，5为传感器测量部分，6为传感器传输部分。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-2所示。

一种面向固化过程的复合材料与模具界面力监测方法，它包括以下步骤：

首先，在模具与复合材料接触的表面分布设置多道可在任意方向上连续或不连续分布的沟槽，沟槽方向最好是沿模具长度与宽度方向分布；使沟槽深度比传感器直径或截面高度大0.05mm-0.25mm；沟槽可采用长方体或圆柱体结构；

其次，将应变传感器放入所述沟槽中，同时将沟槽表面密封，应使传感器测量区域与沟槽四周壁面无接触，测量区域两端固定在沟槽内；

第三，将传感器在复合材料固化过程中受到的应变送入计算机进行换算，得到复合材料与模具之间的界面应力。它可依据测量应变与模具在该测量方向弹性模量的关系，计算得到传感器所受正应力；在模具沟槽方向上，基于界面力与正应力力学平衡关系，以及复合材料边缘处模具受到应力为零的边界条件，计算与沟槽同等截面积，从传感器固定点至复合材料边缘的模具表面区域累积应力，此累积应力为界面力。

本实施的复合材料可为纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料和晶须增强陶瓷基复合材料中的一种；所述的模具为金属模具、复合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具或石膏材料模具中的一种。所述的传感器为光纤光栅传感器、金属应变片或其他类型应变传感器；传感器测量区域中点放置于与沟槽排布方向垂直的模具中心线上。

下面以微波固化复合材料和图1、2为例对本发明作进一步的说明。

本实例采用的固化方式为微波固化。固化频率为2450±30MHz。微波通过微波辐射天线辐射到复合材料2与模具1上。模具1采用平板铝模，其厚度h为1.4mm，长宽分别为200和100mm，弹性模量E值为72Gpa。复合材料2采用单向铺层的碳纤维增强树脂基复合材料，其厚度为2mm，长宽分别为150mm和75mm。本实例中沿着复合材料2铺层方向和垂直复合材料2铺层方向各设计一个沟槽3，其长度分别为170mm和60mm，深度0.15mm。将传感器放置在所设计的沟槽3内，沟槽3表面用薄膜胶带密封。本实例中采用光纤光栅传感器，其直径为62.5μm。传感器测量部分5两端通过固定胶4与模具1固定，本实例中传感器测量部分长度为10mm，复合材料2边缘与传感器固定点距离l的长度为70mm。固化过程中，传感器测得的应变即为模具1在固定胶4处的应变ε。传感器传输部分6将测得的应变传入上位机(计算机，其中预设有相应的计算程序)，并经过换算得到复合材料2与模具1之间界面力，换算步骤如下：

①将传感器测得的应变转变为正应力。表达式为：

σ＝E·ε；

其中，σ，E，ε分别表示传感器测量部分5两端固定点所受到的正应力、模具1沿着传感器轴向方向的弹性模量和固定胶4处的应变。

②在沟槽轴向方向取一微单元，建立复合材料2与模具1作用力与正应力

下平衡方程。表达式为：

$d\mathrm{\σ}\·d\·\frac{h}{2}=\mathrm{\τ}\·dx\·d;$

③基于边界条件：复合材料2边缘处正应力为0。对两边化简并求积分，积

分范围为复合材料边缘2到固定点距离：

$\underset{{\mathrm{\σ}}_1}{\overset{0}{\∫}}hd\mathrm{\σ}=\mathrm{\τ}\·{\∫}_0^{l}1dx$

得：

$\mathrm{\τ}=-\frac{{\mathrm{\σ}}_1\·h}{2\·l}$

其中，τ，σ₁，h，d和l分别表示复合材料2与模具1作用力，传感器测量部分5两端固定点所受到的正应力，模具1厚度，传感器直径和复合材料2边缘至传感器固定点距离。

④再对两个方向所受到的作用力进行矢量求和，即为复合材料2与模具1界面力。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种面向固化过程的复合材料与模具界面力监测方法，其特征在于：在模具与复合材料接触的表面分布设置多道可在任意方向上连续或不连续分布的沟槽，优选沿模具长度与宽度方向分布；应变传感器放入沟槽中，沟槽表面密封，沟槽深度不小于传感器直径或截面高度，优选高于传感器直径或截面高度0.05mm至0.25mm，传感器测量区域与沟槽四周壁面无接触，测量区域两端固定在沟槽内；将传感器在固化过程中受到的应变换算为复合材料与模具之间的界面应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的沟槽沿模具长度与宽度方向分布。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的沟槽深度比传感器直径或截面高度大0.05mm-0.25mm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的复合材料为纤维增强树脂基复合材料、晶须增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料和晶须增强陶瓷基复合材料中的一种；所述的模具为金属模具、复合材料模具、陶瓷材料模具、石英材料模具、水泥材料模具或石膏材料模具中的一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的传感器为光纤光栅传感器、金属应变片或其他类型应变传感器；传感器测量区域中点放置于与沟槽排布方向垂直的模具中心线上。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于依据测量应变与模具在该测量方向弹性模量的关系，计算得到传感器所受正应力；在模具沟槽方向上，基于界面力与正应力力学平衡关系，以及复合材料边缘处模具受到应力为零的边界条件，计算与沟槽同等截面积，从传感器固定点至复合材料边缘的模具表面区域累积应力，此累积应力为界面力。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的沟槽为长方体或圆柱体结构。