CN109270169A - 一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统，通过外界激励，使处于亚真空密封声场环境中的具有各向异性层合结构的纤维增强复合材料试件产生自由振动，通过音频收集装置和数据采集装置采集振动产生的声频信号；利用傅里叶变换分析获得声频信号的频谱，测得固有振动频率；将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得纤维增强复合材料试件的材料参数结果。本发明能够简单、低成本且高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

Description

一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，特别是涉及一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统。

背景技术

纤维增强复合材料是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料，其最大的优点是比强度高、比模量大。比强度和比模量是在质量相等的前提下衡量结构材料承载能力与刚度特性的一种材料性能指标。对于航空、航天的结构部件，运输载具、舰艇等运动结构，这是一个非常重要的指标，高比强度和比模量往往意味着可制成性能好、质量轻的结构。表1就给出了几种典型层合复合材料和金属材料的力学性能比较。可以看出普通单向碳纤维树脂基复合材料的比强度已经达到了45号钢材的12.2倍，比模量也达到了4.2倍；而高性能碳纤维树脂基层合材料的比强度更可以达到普通钢材的20倍以上，比模量也可以达到10倍以上，性能优势相当明显。

从力学分析的角度看，复合材料与常规材料(如金属材料、塑料)的显著区别是：后者被看作是均质的和各向同性的，而前者是非均质和各项异性的。所谓均质就是物体内各点的性能相同，也就是说，物体的性能不是物体内位置的函数，而非均质正好与此相反。所谓各向同性就是在物体内一点的各个方向上都具有相同的性能，而各项异性则表明某点的性能是该方向的函数。

纤维增强复合材料是由基体和增强纤维材料构成的多相材料，是非均质的，而且一般为各向异性的。由广义胡克定律反映的各向异性弹性体的应力与应变的线性关系可知，对于完全各向异性纤维增强复合材料的独立材料参数多达21个；对于单轴弹性对称材料(具有一个弹性对称面的各向异性材料)，独立材料参数有13个；对于正交各向异性材料(材料中任意一点具有三个互相垂直的弹性对称面)，独立材料参数也多达9个，远多于传统均质金属材料的2个弹性材料参数。

目前，纤维增强复合材料弹性参数的测试多采用单轴或多轴材料试验机实现，测试方法种类繁多，有企业标准、部门标准、国家标准和军用标准等。采用单轴材料试验机测试材料参数，通常只能测试简单铺层结构的纤维增强复合材料，对于复杂铺层结构的纤维增强复合材料多采用专用多轴材料试验机加以测试，但该种设备价格昂贵且测试方法繁琐，不利于复合材料在工程应用领域的低成本、高效应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法和系统，能够简单、低成本且高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，包括步骤：

S100，通过外界激励，使处于亚真空密封声场环境中的具有各向异性层合结构的纤维增强复合材料试件产生自由振动，通过音频收集装置和数据采集装置采集振动产生的声频信号；

S200，利用傅里叶变换分析获得声频信号的频谱，测得固有振动频率；

S300，将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得纤维增强复合材料试件的材料参数结果。

进一步的是，所述步骤S200中，利用傅里叶变换分析获得信号的频谱，测得结构的固有振动频率，包括步骤：

S201，将声频信号进行FFT变换；

S202，通过优化算法找出FFT变换后信号峰值对应的特征频率，即试件固有振动频率。

进一步的是，所述通过优化算法对特征频率进行优化，包括步骤：

将声频信号进行FFT变换后得到信号曲线；

对所述信号曲线进行分段二次函数拟合，找出分段极值对应频率；

其中，分段宽度应小于信号峰宽度的四分之一；能够有效避免噪音信号干扰。

进一步的是，所述步骤300中，将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得各向异性层合结构复合材料的材料参数；包括步骤：

S301，通过拟合对材料参数进行数值模拟，获得材料参数；

S302，判断材料参数与所测固有振动频率是否吻合；若是则输出材料参数作为纤维增强复合材料试件的材料参数结果；若否则再次拟合修正此材料参数。

进一步的是，所述拟合方法，包括步骤：

S3011，预设待定材料参数；

S3012，调用基于有限元方法的自由振动数值计算模型，计算基于预设材料参数试件的固有振动频率；

S3021，利用最小二乘算法对实测特征频率和计算特征频率进行数据拟合，如未达到设定的精度要求，则修改有限元计算预设待定参数并再次调用模型计算，直至计算所得特征频率与试验所测频率吻合；

S3022，输出最后一次输入的预设材料参数，该结果即为所测得的材料参数结果。

另一方面，本发明还提供了一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统，包括密封声场容器、试件组件、激励组件、音频收集装置、数据采集装置、真空装置和数据分析处理装置；

所述试件组件和激励组件置于所述密封声场容器内部，所述试件组件用于放置纤维增强复合材料试件；所述激励组件对向所述试件组件，并对所述纤维增强复合材料试件产生外界激励；所述音频收集装置的收音端对向所述试件组件，所述音频收集装置的数据端连接至数据采集装置，所述数据采集装置连接至数据分析处理装置；所述真空装置通过真空管路连通所述密封声场容器。

进一步的是，所述试件组件包括支撑架和柔性连接件，所述支撑架固定在所述密封声场容器的内底部上，所述纤维增强复合材料试件通过柔性连接件固定于所述支撑架上；便于对试件产生自由振动，减少外界影响；所述柔性连接件可采用橡皮筋。

进一步的是，所述激励组件包括托板、滑道、铁球和磁铁，所述托板水平置于所述密封声场容器的内侧壁上；所述滑道横向倾斜置于所述密封声场容器内，且所述滑道的高端连通所述托板的一端，所述滑道的低端对向所述纤维增强复合材料试件；所述磁铁置于密封声场容器的外侧板，所述磁铁与铁球相吸合，所述铁球在托板上移动或在滑道上滑动；

移动所述磁铁驱动铁球移动，将置于托板上的铁球移动至滑道高端处；移除磁铁，使铁球在滑道上自由滑动到滑道底端，从而使铁球撞击试件，使试件产生自由振动。

进一步的是，所述密封声场容器包括碗状底盒和顶盖，所述顶盖盖于所述碗状底盒上，在所述碗状底盒和顶盖的连接边缘处设置有密封件，且所述真空管的一端从顶盖中部穿出；在所述碗装底盒的底部铺设由底垫；所述密封声场容器为透明材质构成。为试件检测提供一个亚真空环境；从而高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

进一步的是，所述密封声场容器大小计算：密封声场容器大小根据最小峰值频率波长确定，音频测试点不能安装在节点，因此密封声场容器最小半径等于最小峰值频率的六分之一波长；

对于半真空容积中声速为：

C＝sqrt(γP/ρ)；

公式中γ为比热容，P为压力，ρ为介质密度；对于气体，声速主要依赖于气体的温度，容器抽半真空之后，压力项与密度项相消，声速不变；

所述密封声场容器大小计算公式：

公式中L为音频收集装置长度，C为声速，f第一阶模态频率；

所述密封声场容器内气压介于20％-40％大气压即可有效消除密封声场容器内的空气对试件板振动带来的影响，提高声波的传播和有效采集。

其中，所述音频收集装置为麦克风；所述数据采集装置为数据采集器；所述真空装置包括真空泵；所述数据分析处理装置为PC机。

采用本技术方案的有益效果：

本发明利用频谱在固有振动频率处会出现能量集中，因此可以通过该特性测得结构的固有振动频率；将此实测固有振动频率带入利用复合材料平板有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，便可简单、高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

本发明通过FFT算法，可以分析得出采集信号的频率成分；由于基频在信号中的能量最高，FFT分析后，基频对应发峰值也最高，通过峰值查找，这样就可以方便的获得特征频率的具体数值；从而实现了对采集信号特征频率的准确获取。

本发明的测试方法简便，在试件准备完毕情况下，3-5分钟即可完成材料参数的确定；本发明提出的测试系统，能够简单、低成本且高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

附图说明

图1为本发明的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中密封声场容器的内部结构示意图；

其中，1是密封声场容器，2是试件组件，3是激励组件，4是音频收集装置，5是数据采集装置，6是真空装置，7是数据分析处理装置；11是碗状底盒，12是顶盖，13是真空管；21是支撑架，22是柔性连接件，23是纤维增强复合材料试件；31是托板，32是滑道，33是铁球，34是磁铁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，包括步骤：

S100，通过外界激励，使处于亚真空密封声场环境中的具有各向异性层合结构的纤维增强复合材料试件23产生自由振动，通过音频收集装置4和数据采集装置5采集振动产生的声频信号；

S200，利用傅里叶变换分析获得声频信号的频谱，测得固有振动频率；

S300，将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得纤维增强复合材料试件23的材料参数结果。

作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述步骤S200中，利用傅里叶变换分析获得信号的频谱，测得结构的固有振动频率，包括步骤：

S201，将声频信号进行FFT变换并找出峰值特征频率；

S202，通过优化算法找出FFT变换后信号峰值对应的特征频率，即试件固有振动频率；

所述通过优化算法对特征频率进行优化，包括步骤：

将声频信号进行FFT变换后得到信号曲线；

对所述信号曲线进行分段二次函数拟合，找出分段极值对应频率；

其中，分段宽度应小于信号峰宽度的四分之一；能够有效避免噪音信号干扰。

作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述步骤300中，将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得各向异性层合结构复合材料的材料参数；包括步骤：

S301，通过拟合对材料参数进行数值模拟，获得材料参数；

S302，判断材料参数与所测固有振动频率是否吻合；若是则输出材料参数作为纤维增强复合材料试件23的材料参数结果；若否则再次拟合修正此材料参数。

具体是，所述拟合方法，包括步骤：

S3011，预设待定材料参数；

S3012，调用基于有限元方法的自由振动数值计算模型，计算基于预设材料参数试件的固有振动频率；

S3021，利用最小二乘算法对实测特征频率和计算特征频率进行数据拟合，如未达到设定的精度要求，则修改有限元计算预设待定参数并再次调用模型计算，直至计算所得特征频率与试验所测频率吻合；

S3022，输出最后一次输入的预设材料参数，该结果即为所测得的材料参数结果。

为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图3和4所示，本发明还提供了一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统，包括密封声场容器1、试件组件2、激励组件3、音频收集装置4、数据采集装置5、真空装置6和数据分析处理装置7；

所述试件组件2和激励组件3置于所述密封声场容器1内部，所述试件组件2用于放置纤维增强复合材料试件23；所述激励组件3对向所述试件组件2，并对所述纤维增强复合材料试件23产生外界激励；所述音频收集装置4的收音端对向所述试件组件2，所述音频收集装置4的数据端连接至数据采集装置5，所述数据采集装置5连接至数据分析处理装置7；所述真空装置6通过真空管13路连通所述密封声场容器1。

其中，所述试件组件2包括支撑架21和柔性连接件22，所述支撑架21固定在所述密封声场容器1的内底部上，所述纤维增强复合材料试件23通过柔性连接件22固定于所述支撑架21上；便于对试件产生自由振动，减少外界影响。

所述激励组件3包括托板31、滑道32、铁球33和磁铁34，所述托板31水平置于所述密封声场容器1的内侧壁上；所述滑道32横向倾斜置于所述密封声场容器1内，且所述滑道32的高端连通所述托板31的一端，所述滑道32的低端对向所述纤维增强复合材料试件23；所述磁铁34置于密封声场容器1的外侧板，所述磁铁34与铁球33相吸合，所述铁球33在托板31上移动或在滑道32上滑动；

移动所述磁铁34驱动铁球33移动，将置于托板31上的铁球33移动至滑道32高端处；移除磁铁34，使铁球33在滑道32上自由滑动到滑道32底端，从而使铁球33撞击试件，使试件产生自由振动。

所述密封声场容器1包括碗状底盒11和顶盖12，所述顶盖12盖于所述碗状底盒11上，在所述碗状底盒11和顶盖12的连接边缘处设置有密封件，且所述真空管13的一端从顶盖12中部穿出；在所述碗装底盒的底部铺设由底垫；所述密封声场容器1为透明材质构成。为试件检测提供一个亚真空环境；从而高效的获得工程应用精度的各向异性层合结构复合材料的材料参数。

作为上述实施例的优化方案，所述音频收集装置4为麦克风；所述数据采集装置5为数据采集器；所述真空装置6包括真空泵；所述数据分析处理装置7为PC机。

其中，所述密封声场容器1大小计算：密封声场容器1大小根据最小峰值频率波长确定，音频测试点不能安装在节点，因此密封声场容器1最小半径等于最小峰值频率的六分之一波长；

对于半真空容积中声速为：

C＝sqrt(γP/ρ)；

公式中γ为比热容，P为压力，ρ为介质密度；对于气体，声速主要依赖于气体的温度，容器抽半真空之后，压力项与密度项相消，声速不变。

例如：由于测试例子中第一阶频率为364Hz，为了适应不同材料测试，取计算频率为250Hz，此时最小频率六分之一波长为0.22m，再加上麦克风长度0.1m，此时容积半径为0.32m。由于试件高度为0.12m，设置0.1m的吸音棉底部垫层，再加上安装工装预留高度0.08m，因此容器高度可选择为0.3m。

所述密封声场容器1大小计算公式：

公式中L为音频收集装置4长度，C为声速，f第一阶模态频率；

综上所述，可以选择直径为0.6m，高度为0.3m的密封声场容器1，半真空容积适当增大，对测试结果影响不大。

测试时所述密封声场容器1内真空度要求：所述密封声场容器1内气压介于20％-40％大气压即可有效消除密封声场容器1内的空气对试件板振动带来的影响，提高声波的传播和有效采集。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，其特征在于，包括步骤：

S100，通过外界激励，使处于亚真空密封声场环境中的具有各向异性层合结构的纤维增强复合材料试件(23)产生自由振动，通过音频收集装置(4)和数据采集装置(5)采集振动产生的声频信号；

S200，利用傅里叶变换分析获得声频信号的频谱，测得固有振动频率；

S300，将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得纤维增强复合材料试件(23)的材料参数结果。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，其特征在于，所述步骤S200中，利用傅里叶变换分析获得信号的频谱，测得结构的固有振动频率，包括步骤：

S201，将声频信号进行FFT变换；

S202，通过优化算法找出FFT变换后信号峰值对应的特征频率，即试件固有振动频率。

3.根据权利要求2所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，其特征在于，所述通过优化算法对特征频率进行优化，包括步骤：

将声频信号进行FFT变换后得到信号曲线；

对所述信号曲线进行分段二次函数拟合，找出分段极值对应频率；

其中，分段宽度应小于信号峰宽度的四分之一。

4.根据权利要求3所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，其特征在于，所述步骤300中，将固有振动频率带入利用纤维增强复合材料有限元方法建立的结构振动固有振动频率计算模型中进行拟合，获得各向异性层合结构复合材料的材料参数；包括步骤：

S301，通过拟合对材料参数进行数值模拟，获得材料参数；

S302，判断材料参数与所测固有振动频率是否吻合；若是则输出材料参数作为纤维增强复合材料试件(23)的材料参数结果；若否则再次拟合修正此材料参数。

5.根据权利要求4所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，其特征在于，所述拟合方法，包括步骤：

S3011，预设待定材料参数；

S3012，调用基于有限元方法的自由振动数值计算模型，计算基于预设材料参数试件的固有振动频率；

S3021，利用最小二乘算法对实测特征频率和计算特征频率进行数据拟合，如未达到设定的精度要求，则修改有限元计算预设待定参数并再次调用模型计算，直至计算所得特征频率与试验所测频率吻合；

S3022，输出最后一次输入的预设材料参数，该结果即为所测得的材料参数结果。

6.一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统，其特征在于，基于上述权利要求1-5任一所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定方法，测定系统包括密封声场容器(1)、试件组件(2)、激励组件(3)、音频收集装置(4)、数据采集装置(5)、真空装置(6)和数据分析处理装置(7)；

所述试件组件(2)和激励组件(3)置于所述密封声场容器(1)内部，所述试件组件(2)用于放置纤维增强复合材料试件(23)；所述激励组件(3)对向所述试件组件(2)，并对所述纤维增强复合材料试件(23)产生外界激励；所述音频收集装置(4)的收音端对向所述试件组件(2)，所述音频收集装置(4)的数据端连接至数据采集装置(5)，所述数据采集装置(5)连接至数据分析处理装置(7)；所述真空装置(6)通过真空管(13)路连通所述密封声场容器(1)。

7.根据权利要求6所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统，其特征在于，所述试件组件(2)包括支撑架(21)和柔性连接件(22)，所述支撑架(21)固定在所述密封声场容器(1)的内底部上，所述纤维增强复合材料试件(23)通过柔性连接件(22)固定于所述支撑架(21)上。

8.根据权利要求7所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统，其特征在于，所述激励组件(3)包括托板(31)、滑道(32)、铁球(33)和磁铁(34)，所述托板(31)水平置于所述密封声场容器(1)的内侧壁上；所述滑道(32)横向倾斜置于所述密封声场容器(1)内，且所述滑道(32)的高端连通所述托板(31)的一端，所述滑道(32)的低端对向所述纤维增强复合材料试件(23)；所述磁铁(34)置于密封声场容器(1)的外侧板，所述磁铁(34)与铁球(33)相吸合，所述铁球(33)在托板(31)上移动或在滑道(32)上滑动。

9.根据权利要求8所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统，其特征在于，所述密封声场容器(1)包括碗状底盒(11)和顶盖(12)，所述顶盖(12)盖于所述碗状底盒(11)上，在所述碗状底盒(11)和顶盖(12)的连接边缘处设置有密封件，且所述真空管(13)的一端从顶盖(12)中部穿出；在所述碗装底盒的底部铺设由底垫；所述密封声场容器(1)为透明材质构成。

10.根据权利要求9所述的一种纤维增强复合材料弹性参数快速测定系统，其特征在于，所述密封声场容器(1)大小计算：密封声场容器(1)大小根据最小峰值频率波长确定，音频测试点不能安装在节点，因此密封声场容器(1)最小半径等于最小峰值频率的六分之一波长；

对于半真空容积中声速为：

C＝sqrt(γP/ρ)；

公式中γ为比热容，P为压力，ρ为介质密度；对于气体，声速主要依赖于气体的温度，容器抽半真空之后，压力项与密度项相消，声速不变；

所述密封声场容器(1)大小计算公式：

公式中L为音频收集装置(4)长度，C为声速，f第一阶模态频率；

所述密封声场容器(1)内气压介于20％-40％大气压。