CN108152373B - 基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统及方法 - Google Patents

基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统及方法包括，缺陷信息采集系统和缺陷信息分析系统；缺陷信息采集系统采用超声探头扫描受测制品的表面，获得复合材料内孔隙的形貌特征，将信号输入缺陷信息分析系统，在计算机中分析复合材料制品的力学性能；与已有的技术对比，该系统能够简单快速的获得复合材料制品的力学性能，从而确定制品是否符合设计要求，该系统主要用于快速无损获得复合材料制品的力学性能。

Description

基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统及 方法
技术领域
本发明涉及属于复合材料领域，特别涉及一种能够通过检测复合材料中孔隙含量、尺寸等参数，预测含孔隙复合材料力学性能的工业系统，尤其是能够不进行材料试验，仅采用现场无损检测方法获得含有孔隙的复合材料制品力学性能的系统及方法。
背景技术
现目前获取含孔隙复合材料力学性能的技术有以下几种：
1.采用试验手段，对不同孔隙含量的复合材料进行力学性能试验。
2.采用经验或半经验公式，基于孔隙含量对含孔隙复合材料力学性能进行预测。
目前并没有能够通过现场无损检测，得到含孔隙复合材料的力学性能的方法。
由于孔隙缺陷会显著的降低复合材料的刚度和强度，因此获得含孔隙复合材料的力学性能对复合材料结构的设计和应用十分必要。已有技术存在以下问题：
1.需要进行多次试验，而复合材料的性能试验必须要在专门的试验机上采用相应行业标准进行测试，如果更换了材料体系，则需要重新测试，需要大量时间和金钱成本。不能在现场得到含孔隙复合材料的力学性能。导致数据反馈周期长，影响设计和制造的进度。
2.由于孔隙的形貌和尺寸对复合材料性能影响较大，而孔隙的产生又有一定随机性，试验试件中的孔隙与现场复合材料制件的孔隙往往形貌和尺寸均不一致，试验不能代表不同批次的复合材料制件力学性能。
3.试验本身具有一定的分散性，由此而拟合出的经验或半经验公式往往有较大误差，不能满足设计要求的精度。
4.不能保证在完全相同的情况难以在同一个试件上进行，而复合材料试件制造分散性较大，已有技术难保证精度；同时如果需要测试不同载荷比例下的试件拉弯性能时，传统方法需要多套夹具，成本较高。
总的来说，已有的技术手段需要通过检测-试验两步获得含孔隙复合材料的力学性能，具有成本高、周期长、精度不能保证等问题。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种不采用传统的试验手段，获得含孔隙缺陷复合材料力学性能与孔隙的形貌和尺寸间映射关系的基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统及方法。
为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：
基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统，包括：缺陷信息采集系统和缺陷信息分析系统两部分组成；
缺陷信息采集系统包括：计算机Ⅱ、高速采集卡、信号激励与调制装置、超声波信号发射接收装置；计算机Ⅱ连接高速采集卡，高速采集卡连接超声波信号激励与调制装置，信号激励与调制装置连接超声波信号发射接收装置，超声波信号发射接收装置超声波扫描复合材料试件；
缺陷信息分析系统包括：计算机Ⅰ和通过计算机运行的复合材料力学性能评价软件所述计算机Ⅰ与计算机Ⅱ数据互通连接。
基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在计算机Ⅱ运行的缺陷信息采集系统中进行参数设置，包括激励信号的频率、周期和试件厚度；
步骤二，信号经过调制，超声波信号发射接收装置的激励信号发射装置发出超声波，经过复合材料试件，再由超声波信号发射接收装置的信号接收装置接收；
步骤三，接收信号通过高速数据采集卡采集到计算机Ⅱ3，对信号进行处理，获得复合材料试件内的孔隙形貌特征；
步骤四，复合材料试件内的孔隙形貌特征数据输出到缺陷信息分析系统的计算机Ⅰ内；
步骤五，缺陷信息分析系统的计算机Ⅰ运行复合材料力学性能评价软件根据复合材料孔隙特征数据，建立细观力学有限元模型，进行数值仿真计算，得到含孔隙复合材料力学性能；
其中，复合材料力学性能评价软件的运算采用两尺度代表体元方法，详细的步骤包括：根据预先输入的复合材料基体，纤维力学性能，和检测获得的孔隙尺寸和分布信息，自动建立参数化的基体-纤维尺度，孔隙尺度细观力学有限元模型，施加周期性边界条件
Figure GDA0001591368200000031
Figure GDA0001591368200000032
Figure GDA0001591368200000033
其中，ui代表施加边界条件的结点坐标，x,y,z代表沿三个方向的坐标，lc,wc,hc是孔隙的尺寸参数。
将几何模型划分六面体网格，进行有限元计算并自动提取相应位置的六个方向应力结果，通过后处理获得复合材料的材料性能并输出。
采用上述技术方案的本发明优势在于：
1、与传统的采用试验获得复合材料性能的方法相比，本发明使复合材料制品的力学性能可以通过一次测量现场获得，同时解决了传统方法所测材料与目标制品间包含缺陷可能不一致的问题，本发明通过发明人建立的两尺度代表体元方法获得含孔隙复合材料制品孔隙形貌特征和力学性能的映射关系，使得测试结果更为精确，能够快速准确的现场测量复合材料的力学性能。
2、本发明所述的测量装置简单、易于操作，与传统的无损检测过程有相似之处。传统无损检测设备可以通过设置相应的数据解析接口并加装缺陷信息分析系统组成，易于制造或通过改造已有检测设备得到。本发明可以实现任意形状的表面可达含孔隙复合材料制件的力学性能测量，控制超声探头扫面的范围，可以实现大型制件指定区域的现场测量。
3、本发明的适用范围较广，适合各种复合材料结构，对于铺设、缠绕、RTM等工艺制造的复合材料制件均可适用，通过选择不同的探头和配合不同的超声设备，能够针对飞机机翼肋板、蒙皮，平、垂尾蒙皮，C型梁等不同结构实现现场检测。
4、本发明所述的方法检测成本低，较传统试验方法相比更为经济。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
本发明共5幅附图,其中：
图1为本发明的基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统原理示意图。
图2为本发明的假定复合材料孔隙示意图。
图3为本发明中采用的两尺度代表体元方法在基体-纤维尺度的有限元模型示意图。
图4为本发明中采用的两尺度代表体元方法在孔隙尺度的有限元模型示意图。
图5为本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示的基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统，包括：缺陷信息采集系统和缺陷信息分析系统两部分组成；
缺陷信息采集系统包括：计算机Ⅱ3、高速采集卡4、信号激励与调制装置5、超声波信号发射接收装置6；计算机Ⅱ3连接高速采集卡4，高速采集卡4连接超声波信号激励与调制装置6，信号激励与调制装置5连接超声波信号发射接收装置6，超声波信号发射接收装置6超声波扫描复合材料试件；
缺陷信息分析系统包括：计算机Ⅰ1和通过计算机1运行的复合材料力学性能评价软件2；所述计算机Ⅰ1与计算机Ⅱ3数据互通连接。
上述基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统的流程如图5所示。
2、基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统的测试方法，包括以下步骤：
步骤一，在计算机Ⅱ3运行的缺陷信息采集系统中进行参数设置，包括激励信号的频率、周期和试件厚度；
步骤二，信号经过调制，超声波信号发射接收装置6的激励信号发射装置发出超声波，经过复合材料试件，再由超声波信号发射接收装置6的信号接收装置接收；
步骤三，接收信号通过高速数据采集卡采集到计算机Ⅱ3，对信号进行处理，获得复合材料试件内的孔隙形貌特征；
步骤四，复合材料试件内的孔隙形貌特征数据输出到缺陷信息分析系统的计算机Ⅰ1内；
步骤五，缺陷信息分析系统的计算机Ⅰ1运行复合材料力学性能评价软件2根据复合材料孔隙特征数据，建立细观力学有限元模型；
如图2，其中，hv,lv,wv以及h,l,w由缺陷信息采集系统得到。施加周期性边界条件，计算得出复合材料强度：
Figure GDA0001591368200000051
其中σi(fv＝x)代表被测试件的i方向应力计算结果，σi(f0)代表对比试块i方向应力计算结果。Xi代表被测试件的强度，Xi0代表对比试块的强度。
其中，复合材料力学性能评价软件的运算采用两尺度代表体元方法，详细的步骤包括：根据预先输入的复合材料基体，纤维力学性能，和检测获得的孔隙尺寸和分布信息，自动建立参数化的基体-纤维尺度，孔隙尺度细观力学有限元模型，施加周期性边界条件
Figure GDA0001591368200000052
Figure GDA0001591368200000053
Figure GDA0001591368200000054
其中，ui代表施加边界条件的结点坐标，x,y,z代表沿三个方向的坐标，lc,wc,hc是孔隙的尺寸参数。
如图3和图4所示，将几何模型划分六面体网格，进行有限元计算并自动提取相应位置的六个方向应力结果，通过后处理获得复合材料的材料性能并输出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.基于孔隙尺寸识别的含孔隙复合材料力学性能测量系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在计算机Ⅱ运行的缺陷信息采集系统中进行参数设置，包括激励信号的频率、周期和含孔隙复合材料厚度；
步骤二，信号经过调制，超声波信号发射接收装置的激励信号发射装置发出超声波，经过含孔隙复合材料，再由超声波信号发射接收装置的信号接收装置接收；
步骤三，接收信号通过高速数据采集卡采集到计算机Ⅱ，对信号进行处理，获得含孔隙复合材料内的孔隙形貌特征；
步骤四，含孔隙复合材料内的孔隙形貌特征数据输出到缺陷信息分析系统的计算机Ⅰ内；
步骤五，缺陷信息分析系统的计算机Ⅰ运行复合材料力学性能评价软件根据含孔隙复合材料孔隙形貌特征数据，建立细观力学有限元模型，进行数值仿真计算，得到含孔隙复合材料力学性能；
施加周期性边界条件，计算得出含孔隙复合材料强度：
Figure FDA0003015823340000011
其中σi(fv＝x)代表被测含孔隙复合材料的i方向应力计算结果，
Figure FDA0003015823340000012
代表对比试块i方向应力计算结果，Xi代表被测含孔隙复合材料的强度，Xi0代表对比试块的强度；
其中，复合材料力学性能评价软件的运算采用两尺度代表体元方法，详细的步骤包括：根据预先输入的含孔隙复合材料基体参数，纤维力学性能参数，和检测获得的孔隙尺寸和分布信息，自动建立参数化的基体-纤维尺度，孔隙尺度细观力学有限元模型，施加周期性边界条件
Figure FDA0003015823340000013
Figure FDA0003015823340000014
Figure FDA0003015823340000015
其中，ui代表施加边界条件的结点坐标，x,y，z代表沿三个方向的坐标，lc,wc,hc是孔隙的尺寸参数；
将几何模型划分六面体网格，进行细观力学有限元模型计算并自动提取相应位置的六个方向应力结果，通过后处理获得含孔隙复合材料的材料力学性能并输出。
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