CN106152973A - 一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，包括真空干燥箱、第一激光发射器和刻度板，刻度板的投影面正对干燥箱；所述干燥箱的前侧面开设有玻璃窗口，干燥箱内固设有样品架，样品架安设有结构件，结构件的前侧面上固定有第一反光镜片；所述第一激光发射器设置在刻度板和干燥箱之间，第一激光发射器发射的光线可穿过干燥箱的玻璃窗口垂直发射到第一反光镜片的中心，经第一反光镜片反射后投影至刻度板上。本发明还提供了一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量方法。本发明的有益效果为：本发明可计算碳纤维复合材料结构件随温度变化产生的回弹角，继而分析碳纤维结构件在不同温度下的回弹变形现象，再现成型过程中除去模具后回弹角理论的变化趋势。
Description
技术领域
本发明涉及一种回弹角测量方法，具体涉及一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统及测量方法。
背景技术
近年来，复合材料以其轻质高强、可设计性优良等特点迅猛发展，其中碳纤维材料已广泛应用在航空航天、汽车、船舶等领域。然而，由于L型和U型的碳纤维结构件固化后易出现翘曲回弹，这些变形严重时会影响碳纤维结构件的形状和尺寸稳定性，为消除变形产生的负面影响需要消耗大量的人力物力，这一定程度上也制约了材料的应用；固化后的碳纤维结构件随着温度的改变还会出现二次回弹现象，这对产品尺寸精确性要求较高的航空航天等领域具有一定的风险性。因此，对于碳纤维结构件变形的研究一直是国内外学者努力克服的难题。
为了充分研究碳纤维结构件的回弹变形，众多研究人员建立了大量的理论模型，希望通过仿真模拟来预测不同环境下结构件的回弹程度，即回弹角的大小。然而，不可避免地，经验参数的选择会造成与真实情况的偏差，而且过于偏重理论的模拟而弱化实验的探究也无法为结果的准确性提供可靠的依据。目前的一些测量仪器如激光扫描仪等对实验条件要求较高，光纤光栅传感器在精确性方面具有一定的局限性，受外界影响因素较大。因此，建立一种简单准确地回弹角测量的实验方法显得十分重要。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种精确度高、稳定性好的碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统及测量方法。
本发明采用的技术方案是：一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，包括真空的干燥箱、第一激光发射器和刻度板，刻度板的投影面正对干燥箱；所述干燥箱的前侧面开设有玻璃窗口，干燥箱内固设有样品架，样品架安设有结构件，结构件的前侧面上固定有第一反光镜片；所述第一激光发射器设置在刻度板和干燥箱之间，第一激光发射器发射的光线可穿过干燥箱的玻璃窗口垂直发射到第一反光镜片的中心，经第一反光镜片反射后投影至刻度板上；所述刻度板与第一激光器的光线发射方向相垂直。
按上述方案，所述样品架还安装有玻璃块，玻璃块的前侧面固定有第二反光镜片；在刻度板和干燥箱之间还设置有第二激光发射器，第二激光发射器发射的光线可穿过干燥箱的玻璃窗口垂直发射到第二反光镜片的中心，经第二反光镜片反射后投影至刻度板上；所述刻度板与第二激光发射器的光线发射方向垂直；所述第二反光镜片的反射面与第一反光镜片的反射面位于同一平面内,第二反光镜片和第二激光发射器的光线发射点之间的距离与第一反光镜片和第一激光发射器的光线发射点之间的距离相等。
按上述方案，所述干燥箱为封闭的加热箱。
按上述方案，所述测量系统还包括垫板，垫板上分别设置有两个底座，每个底座的上部各固定有一个支架，所述第一激光发射器和第二激光发射器分别安装在两个支架的顶部。
按上述方案，所述垫板由铁质材料制成，底座由磁性材料制成，底座可吸附在垫板上。
一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量方法，具体包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述的测量装置；
步骤二、安装所述测量装置：
(1)将第一反光镜片粘贴在结构件的前侧面，将第二反光镜片粘贴在玻璃块的前侧面，再将结构件和玻璃块放置在干燥箱内的样品架上；
(2)布置并调整第一激光发射器和第二激光发射器，保证第一激光发射器发射的光线可射向第一反光镜片的中心，第二激光发射器发射的入射光线可射向第二反光镜片的中心；第一反光镜片与第一激光发射器发射点之间的距离为L1；
(3)布置并调整刻度尺，刻度尺的投影面与第一激光发射器的光线发射点之间的距离为L2，刻度尺的零刻度线与第一激光发射器的光线发射点位于同一水平面；
步骤三、打开第一激光发射器和第二激光发射器，此时第一激光发射器发射的光线在刻度尺上投影点的刻度值为Y1，第二激光发射器发射的光线在刻度尺上投影点的刻度值为Y2；
步骤四、根据复合材料工艺温度要求，设置干燥箱的升温速率；
步骤五、设定干燥箱内的初始温度，启动干燥箱升温，每隔一段时间t读取并记录此时的Y1及Y2；
步骤六、通过公式，计算结构件的理论回弹角θ1和玻璃块的回弹角θ2，其中，结构件的理论回弹角θ1满足以下关系：
则
玻璃块的回弹角θ2满足以下关系：
则
步骤七、利用公式θ＝θ1-θ2，计算结构件的真实回弹角θ。
按上述方案，在步骤二中，第一反光镜片的反射面与第二反光镜片的反射面位于同一平面内。
按上述方案，在步骤二中，刻度尺的零刻度线与第一激光发射器的光线发射点位于同一水平面上。
本发明的有益效果为：本测量系统和方法可计算碳纤维复合材料结构件随温度变化产生的回弹角，继而分析碳纤维结构件在不同温度下的回弹变形现象，再现成型过程中除去模具后回弹角理论的变化趋势，与传统的激光扫描仪相比，本发明受外界的干扰小，且能够在连续升温的情况下实现回弹角的测量，结果准确易行，为实验研究提供数据，也为实际应用提供使用条件；本测量系统设计合理，操作简单，可控性强。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
图2为玻璃块的结构示意图。
图3为L型的试件结构示意图。
图4为U型的试件结构示意图。
其中：1、玻璃块；2、第一反光镜片；3、结构件；4、干燥箱；5、第一激光发射器；6、支架；7、底座；8、垫板；9、第二反光镜片；10、刻度板；11、第二激光发射器；12、样品架。
具体的实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，包括真空的干燥箱4、第一激光发射器5和刻度板10，刻度板10的投影面正对干燥箱4，干燥箱4的前侧面开设有玻璃窗口，干燥箱4内固设有样品架12，样品架12安设有待试验的结构件3，结构件3的前侧面上固定有第一反光镜片2；所述第一激光发射器5设置在刻度板10和干燥箱4之间，第一激光发射器5发出的光线可穿过干燥箱4的玻璃窗口垂直发射到第一反光镜片2的中心，经第一反光镜片2反射投影至刻度板10上，刻度板10与第一激光器5的光线发射方向相垂直(具体是指刻度板10的投影面与第一激光器5发射光线的方向相垂直)。
为了排除空气等其他因素对结构件3回弹角的干扰，本发明设置有对比参照实验。在样品架12的顶部安装有玻璃块1，玻璃块1的前侧面固定有第二反光镜片9；在刻度板10和干燥箱4之间设置有第二激光发射器11，第二激光发射器11发射的光线可穿过干燥箱4的玻璃窗口垂直发射到第二反光镜片9的中心上，经第二反光镜片9反射后投影至刻度板10上，刻度板10与第二激光发射器11的光线发射方向垂直(具体是指刻度板10的投影面与第二激光器11发射光线的方向垂直)；所述第二反光镜片9的反射面与第一反光镜片2的反射面位于同一平面内,第二反光镜片9和第二激光发射器11的光线发射点之间的距离与第一反光镜片2和第一激光发射器5的光线发射点之间的距离相等。
本发明中，干燥箱4为前侧面开有玻璃窗口的封闭的加热箱，干燥箱4内的温度可控。所述测量系统还包括垫板8，垫板8上分别设置有两个底座7，每个底座7的上部各固定有一个支架6，所述第一激光发射器5和第二激光发射器11分别安装在两个支架6的顶部；其中，垫板8由铁质材料制成，底座7由磁性材料制成，底座7可牢牢吸附在光滑的垫板8上。
本发明中，对比参照实验组中采用玻璃块1，是由于玻璃块1的热膨胀系数较小且表面平整，不受温度影响。
本发明中，为了便于计算，可将刻度尺10的零刻度线调整至与第一激光发射器5的光线发射点位于同一水平面上。
一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量方法，具体包括以下步骤：
步骤一、提供如上所述的测量装置。
步骤二、安装所述测量装置：
(1)将第一反光镜片2粘贴在结构件3的前侧面，将第二放光镜片9粘贴在玻璃块1的前侧面，再将结构件3和玻璃块1放置在干燥箱4内的样品架12上，使第一反光镜片2的反射面与第二反光镜片9的反射面位于同一平面内；
(2)布置并调整第一激光发射器5和第二激光发射器11，保证第一激光发射器5发射的光线可射向第一反光镜片2的中心，第二激光发射器11发射的光线可射向第二反光镜片9的中心；此时，第一反光镜片2与第一激光发射器5的光线发射点之间的距离为L1；
(3)布置并调整刻度尺10，刻度尺10的投影面与第一激光发射器5的激光发射点之间的距离为L2，刻度尺10的零刻度线与第一激光发射器5的光线发射点位于同一水平面。
步骤三、打开第一激光发射器5和第二激光发射器11，此时第一激光发射器5发射的光线在刻度尺10上投影点的刻度值为Y1，第二激光发射器10发射的光线在刻度尺10上投影点的刻度值为Y2。
步骤四、根据复合材料工艺温度要求，设置干燥箱4的升温速率。
步骤五、设定干燥箱4内的初始温度，启动干燥箱4，每隔一段时间t读取并记录此时的Y1及Y2。
步骤六、通过公式，计算结构件3的理论回弹角θ1和玻璃块的回弹角θ2，其中，结构件3的理论回弹角θ1满足以下关系：
则
玻璃块的回弹角θ2满足以下关系：
则
步骤七、计算结构件3的真实回弹角θ，θ＝θ1-θ2。
实施例一和实施例二中的结构件3均采用热压釜成型工艺加工，其所述尺寸为与模具接触表面的尺寸。结构件3从模具上脱下来时会产生回弹变形，属于一次回弹，本发明中结构件3放置在干燥箱4内随温度变化引起的回弹变形都属于二次回弹。
实施例一：
取L型的结构件3和矩形的玻璃块1，L型的结构件3其粘附第一反光镜片2的该侧面尺寸为81mm×150mm×1.04mm(长度×宽度×厚度)，玻璃块1的尺寸为30mm×50mm×40mm(长度×宽度×厚度)；第一反光镜片2和第二反光镜片9的尺寸相同，均为10mm×10mm×2mm(长度×宽度×厚度)。第一反光镜片2与第一激光发射器5的光线发射点之间的距离L1为1.15m，刻度尺10的投影面与第一激光发射器5的光线发射点之间的距离L2为1.15m，干燥箱4的升温速率为1.8℃/min。干燥箱4内的初始温度为25℃时，记录此时的Y1和Y2；此后干燥箱4内的温度每升高10℃，记录各温度下的Y1和Y2，共取8组数据。根据公式计算各温度下L型的结构件3的理论回弹角θ1、玻璃块的回弹角θ2和结构件3的真实回弹角θ，具体数据见表一。
表1不同温度下L型的结构件的真实回弹角
| 温度/℃ | Y1/m | Y2/m | θ°1 | θ°2 | θ° |
| 25 | 0.118 | 0.07 | 2.94 | 1.74 | 1.2 |
| 35 | 0.101 | 0.058 | 2.52 | 1.45 | 1.07 |
| 45 | 0.089 | 0.058 | 2.22 | 1.45 | 0.76 |
| 55 | 0.071 | 0.054 | 1.77 | 1.35 | 0.42 |
| 65 | 0.055 | 0.054 | 1.37 | 1.35 | 0.02 |
| 75 | 0.038 | 0.054 | 0.95 | 1.35 | -0.40 |
| 85 | 0.019 | 0.054 | 0.47 | 1.35 | -0.88 |
| 95 | 0.0093 | 0.054 | 0.23 | 1.35 | -1.12 |
实施例二：
取U型的结构件3和矩形的玻璃块1，U型的结构件3其粘附第二反光镜片9的该侧面尺寸为70mm×130mm×1.04mm(长度×宽度×厚度)，玻璃块1尺寸为30mm×50mm×40mm(长度×宽度×厚度)；第一反光镜片2和第二反光镜片9的尺寸相同，均为10mm×10mm×2mm(长度×宽度×厚度)。第一反光镜片2与第一激光发射器5的光线发射点之间的距离L1为6.1m，刻度尺10的投影面与第一激光发射器5的光线发射点之间的距离L2为6.1m，干燥箱4的升温速率为1.8℃/min。干燥箱4内的初始温度为25℃，此后干燥箱4内的温度每升高10℃，记录此时的Y1和Y2，共取7组数据。根据公式计算各温度下U型的结构件3的理论回弹角θ1、玻璃块的回弹角θ2和结构件3的真实回弹角θ，具体数据见表二。
表2不同温度下U型的结构件的回弹角
| 温度/℃ | Yu/m | Yg/m | θ°1 | θ°2 | θ° |
| 35 | 1.8 | 0.4 | 8.40 | 1.88 | 6.52 |
| 45 | 1.78 | 0.39 | 8.31 | 1.86 | 6.45 |
| 55 | 1.77 | 0.4 | 8.24 | 1.88 | 6.36 |
| 65 | 1.75 | 0.4 | 8.15 | 1.88 | 6.27 |
| 75 | 1.73 | 0.4 | 8.08 | 1.88 | 6.20 |
| 85 | 1.71 | 0.4 | 7.97 | 1.88 | 6.09 |
| 95 | 1.68 | 0.4 | 7.85 | 1.88 | 5.97 |
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，其特征在于，包括真空的干燥箱、第一激光发射器和刻度板，刻度板的投影面正对干燥箱；所述干燥箱的前侧面开设有玻璃窗口，干燥箱内固设有样品架，样品架安设有结构件，结构件的前侧面上固定有第一反光镜片；所述第一激光发射器设置在刻度板和干燥箱之间，第一激光发射器发射的光线可穿过干燥箱的玻璃窗口垂直发射到第一反光镜片的中心，经第一反光镜片反射后投影至刻度板上；所述刻度板与第一激光器的光线发射方向相垂直。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，其特征在于，所述样品架的顶部还安装有玻璃块，玻璃块的前侧面固定有第二反光镜片；在刻度板和干燥箱之间还设置有第二激光发射器，第二激光发射器发射的光线可穿过干燥箱的玻璃窗口垂直发射到第二反光镜片的中心，经第二反光镜片反射后投影至刻度板上；所述刻度板与第二激光发射器的光线发射方向垂直；所述第二反光镜片的反射面与第一反光镜片的反射面位于同一平面内,第二反光镜片和第二激光发射器的光线发射点之间的距离与第一反光镜片和第一激光发射器的光线发射点之间的距离相等。
3.如权利要求1或2所述的一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，其特征在于，所述干燥箱为封闭的加热箱。
4.如权利要求2所述的一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括垫板，垫板上分别设置有两个底座，每个底座的上部各固定有一个支架，所述第一激光发射器和第二激光发射器分别安装在两个支架的顶部。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量系统，其特征在于，所述垫板由铁质材料制成，底座由磁性材料制成，底座可吸附在垫板上。
6.一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、提供权利要求1～5所述的测量装置；
步骤二、安装所述测量装置：
(1)将第一反光镜片粘贴在结构件的前侧面，将第二反光镜片粘贴在玻璃块的前侧面，再将结构件和玻璃块放置在干燥箱内的样品架上；
(2)布置并调整第一激光发射器和第二激光发射器，保证第一激光发射器发射的光线可射向第一反光镜片的中心，第二激光发射器发射的入射光线可射向第二反光镜片的中心；第一反光镜片与第一激光发射器发射点之间的距离为L1；
(3)布置并调整刻度尺，刻度尺的投影面与第一激光发射器的光线发射点之间的距离为L2，刻度尺的零刻度线与第一激光发射器的光线发射点位于同一水平面；
步骤三、打开第一激光发射器和第二激光发射器，此时第一激光发射器发射的光线在刻度尺上投影的刻度值为Y1，第二激光发射器发射的光线在刻度尺上投影的刻度值为Y2；
步骤四、根据复合材料工艺温度要求，设置干燥箱的升温速率；
步骤五、设定干燥箱内的初始温度，启动干燥箱升温，每隔一段时间t读取并记录此时的Y1及Y2。
步骤六、通过公式，计算结构件的理论回弹角θ1和玻璃块的回弹角θ2，其中，结构件的理论回弹角θ满足以下关系：
则
玻璃块的回弹角θ2满足以下关系：
则
步骤七、利用公式θ＝θ1-θ2，计算结构件的真实回弹角θ。
7.如权利要求6所述的一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量方法，其特征在于，在步骤二中，第一反光镜片的反射面与第二反光镜片的反射面位于同一平面内。
8.如权利要求6所述的一种碳纤维复合材料结构件回弹角的测量方法，其特征在于，在步骤二中，刻度尺的零刻度线与第一激光发射器的光线发射点位于同一水平面上。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181130 Termination date: 20190617 |
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