CN109916738A - 夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统与评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统与评估方法，采用加热过程和测试过程同时进行的方式，解决了现有夹层材料抗弯性能热损伤效应测试时加热过程和测试过程相互独立进行所带来的测试时间长、测试过程繁琐且实验效果易受蠕变影响的问题。该系统在力学加载机构和夹具配合下对被测试夹层结构施加力的同时，采用加热光源对被测试夹层结构加热，并且利用位移传感器检测被测试夹层结构在外力作用下中点的位移量，利用热像仪检测被测试夹层结构前表面的温度，最后将温度、受力大小以及位移量传输至计算机，通过计算机计算出被测试夹层结构在任意温度下的抗弯刚度保持系数，最终实现被测试夹层结构抗弯性能的评估。
Description
技术领域
本发明属于材料力学性能测试评估领域，涉及一种夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统与评估方法，尤其涉及一种基于四点弯曲法与低功率连续激光均匀加热的力学测试系统与评估方法。
背景技术
夹层结构(如蜂窝板、层压板等)作为一种非常重要的复合材料，由于具有比强度高、比刚度高等优点，在航空、航天、建筑等领域得到了非常广泛的应用。
一方面，由于该结构在工程应用中经常要求承受弯曲载荷并且不发生变形，其抗弯刚度是衡量材料抗弯性能优劣的重要指标。另一方面，由于该材料经常工作在较高环境温度，如何准确、快速地评估加工的夹层板试件的抗弯性能受高温的影响具有重要意义。
以往针对夹层板的力学性能热损伤测试都是将试件放置在加热炉中加热到某一特定温度，长时间保温后再进行力学测试，根据试件在不同温度下的抗弯刚度对试件的热损伤进行评估。
这种方法不仅测试时间长、测试过程繁琐，而且实验结果易受蠕变的影响。因此，需要有一种新的针对夹层板抗弯性能热损伤的测试系统与评估方法来弥补这一不足。
发明内容
本发明提供了一种夹层结构的抗弯性能热损伤的效应测试系统与评估方法，实现了加热过程和测试过程同时进行，解决了现有夹层材料抗弯性能热损伤效应测试时加热过程和测试过程相互独立进行所带来的测试时间长、测试过程繁琐且实验效果易受蠕变影响的问题。
本发明的解决技术方案为：
一种夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，包括光学平台、加热光源、微透镜阵列、热像仪、夹具、位移传感器、力学加载机构以及计算机；
加热光源安装在光学平台上，加热光源的出射光路上安装微透镜阵列，微透镜阵列的透射光路上安装被测试夹层结构，被测试夹层结构前表面接收微透镜阵列的透射光，后表面与安装在光学平台上的夹具接触，且接触位置为间隔的两简支点；
力学加载机构为两组，两组力学加载机构分别对被测试夹层结构的上端面边缘和下端面边缘施加大小、方向均相同的外力；
位移传感器安装在光学平台上，用于检测被测试夹层结构在外力作用下中点的位移量；
热像仪安装光学平台上，用于检测被测试夹层结构前表面的温度；
计算机分别与热像仪以及位移传感器连接；
所述加热光源、微透镜阵列、夹具以及位移传感器的中心位于同一高度。
进一步地，为了方便加工，同时让整个测试系统的结构简单化，上述夹具包括平板以及垂直固连在平板两端的两个侧板；两个侧板的外沿分别与被测试夹层结构后表面接触；夹具跨度与夹具外伸臂之间的比值为3:1；所述夹具跨度为两个侧板与被测试夹层结构后表面接触位置之间的距离；所述夹具外伸臂为被测试夹层结构上端面或下端面与侧板外沿和被测试夹层结构接触点之间的距离。
进一步地，上述力学加载机构包括加载杆、钢丝绳、定滑轮以及砝码；
所述加载杆安装在被测试夹层结构的上端面或下端面，定滑轮安装在光学平台上，钢丝绳的一端与加载杆固连，另一端绕过定滑轮后连接所述砝码。
进一步地，上述光学平台上设置有高度不同的多根螺杆，所述多根螺杆分别用于安装加热光源、微透镜阵列，被测试夹层结构、夹具、位置传感器以及热像仪。
进一步地，上述位移传感器可采用激光测距式位移传感器与机械式位移传感器。
进一步地，上位移传感器的最大量程范围为10mm～5cm，位移传感器精度范围为0.001mm～0.01mm。
进一步地，所述加载杆为耐高温圆形钢管制成，其外径为0.5mm～2mm，内径≥0.3mm。
进一步地，上述砝码的重量范围为0.1kg～1kg。
进一步地，上述加热光源可采用激光器匀化加热，但不局限于激光，也可采用石英灯阵加热或采用其他辐射加热方式。
基于上述一种夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，现对采用该系统对夹层结构抗弯性能进行评估的方法做以下介绍，具体步骤如下：
【1】获取初始常温下被测试夹层结构的抗弯刚度，具体计算公式为：
其中，P为两个力学加载机构施加的外力之和，w为常温环境下被测试夹层结构中点发生的位移，l为夹具与被测试夹层结构两处接触位置之间的跨度，d为的被测试夹层结构宽度，DxL(T0)为常温下夹层结构的抗弯刚度；
【2】获取温度变化过程中被测试夹层结构的抗弯刚度，具体计算公式为：
其中，w(Ti)为受辐照面温度为Ti时被测试夹层结构中点发生的位移；
【3】计算温度Ti下被测试夹层结构的抗弯刚度保持系数ηD(Ti)为：
【4】对温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能进行评估；
设，抗弯刚度保持系数阈值为C，C为常量，取值为0.8或0.5；
当ηD(Ti)的值小于C时，则认为在温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能出现了明显下降，不符合使用要求；
当ηD(Ti)的值大于等于C时，则认为在温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能符合使用要求。
本发明具有的有益效果如下：
1、本发明所提出的测试系统以加热光源加热为基础并结合四点弯曲法对夹层结构抗弯性能进行测试，加热过程和测试过程同时进行，使得测试效率大大提高、测试过程简单且测试精度也有所提升。
2、本发明提出的夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统与评估方法基于激光加热，加热速率快，升温率高，避免了长时间加热引起蠕变对测试结果的影响。
3、本发明提出的夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统与评估方法，加热温度范围广，可通过一次测试得到材料在多个温度下的力学性能，测试效率高。
附图说明
图1为本发明测试系统的结构示意图；
图2为被测试夹层结构的示意图；
图3为夹具的结构示意图；
图4是夹具跨距和夹具外伸臂的关系示意图；
附图标记如下：
1—面板；2—夹心；3—加热光源；4—位移传感器；5—力学加载杆；6—砝码；7—定滑轮；8—计算机；9—微透镜阵列；10-被测试夹层结构；11—夹具；12—热像仪；13—钢丝绳；14—光学平台；15—螺杆；16—夹具跨距；17—夹具外伸臂；18—侧板；19-平板。
具体实施方式
本发明的主要思路是以激光为热源，基于四点弯曲法测试夹层板抗弯性能的原理，达到对夹层结构的抗弯性能热损伤进行效应测试与评估的目的。
下面结合实施例和附图对本发明的测试系统和评估方法做进一步的介绍：
如图1所示，一种夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，包括光学平台14、加热光源3、微透镜阵列9、热像仪12、夹具11、位移传感器4、力学加载机构以及计算机8；
加热光源3、微透镜阵列9、热像仪12、夹具11、位移传感器4、力学加载机构均安装在光学平台14上；
各个器件在光学平台14上的具体连接方式是：光学平台14上设置有多个螺杆15，多个螺杆15分别将加热光源3、微透镜阵列9、热像仪12、夹具11、位移传感器4、力学加载机构固定在光学平台上，并且可以通过螺杆15调整每个器件的中心与光学平台14之间的距离，要求加热光源3、微透镜阵列9、夹具11以及位移传感器4的中心与光学平台14的距离均相同。
加热光源3可采用激光器，也可采用石英灯阵等其他辐射加热方式。本例中，加热光源3为激光器。
各个器件之间的位置关系是：
加热光源3的出射光路上安装微透镜阵列9，微透镜阵列9的透射光路上安装被测试夹层结构10，被测试夹层结构10前表面接收微透镜阵列9的透射光，后表面与安装在光学平台14上的夹具11接触，且接触位置为间隔的两简支点；
如图2所示，本实施例中被测试夹层结构10为一个矩形结构，其上表面和下表面均为面板1，中间为夹心2。微透镜阵列9的作用是将加热光源3的出射激光均匀的幅照在被测试夹层结构10前表面面板1上。
力学加载机构为两组，两组力学加载机构分别对被测试夹层结构10的上端面边缘和下端面边缘施加大小、方向均相同的外力；能够对被测试夹层结构10施加外力的力学加载机构多种多样，本实施例给出一种最为简单有效的方式，具体是：力学加载机构包括加载杆5、钢丝绳13、定滑轮7以及砝码6；加载杆15安装在被测试夹层结构10的上端面或下端面，定滑轮7安装在光学平台14上，钢丝绳13的一端与加载杆15固连，另一端绕过定滑轮7后连接所述砝码6。
位移传感器4用于检测被测试夹层结构10在外力作用下的位移量；热像仪12用于检测被测试夹层结构10前表面的温度；计算机8分别与热像仪12以及位移传感器4连接，分别用于接收测量得到的温度数据以及位移量数据。
其中，由于夹具与被测试夹层结构10接触位置有两处，为了使得夹具的结构简单，易于加工，因此本实施采用的夹具结构是：
夹具11包括平板19以及垂直固连在平板19两端的两个侧板18；两个侧板18的外沿分别与被测试夹层结构10后表面接触；夹具跨度16与夹具外伸臂17之间的比值为3:1；所述夹具跨度16为两个侧板18与被测试夹层结构10后表面接触位置之间的距离；所述夹具外伸臂17为被测试夹层结构10上端面或下端面与侧板18外沿和被测试夹层结构10接触点之间的距离。
本实施例中，夹具总长度为150mm，夹具跨距为90mm，夹具外伸臂长度为30mm；
本实施例中，被测试夹层结构10的长度与宽度之比不低于2:1，宽度方向小于60mm。
本实施例中加载杆15为耐高温圆形钢管制成，推荐型号为904L。圆形钢管外径为0.5mm～2mm，内径不低于0.3mm。
砝码6的重量范围为0.1kg～1kg，本实施例采用砝码6质量为0.2kg。
激光辐照加热过程中的最高功率密度不超过10W/cm2，本实施例中激光辐照功率密度为1W/cm2，被测试夹层结构10表面经过黑化处理后对激光的吸收率不低于0.7，激光辐照时间不低于30s。
位移传感器4可采用激光测距式位移传感器与机械式位移传感器。位移传感器的量程范围为10mm～5cm，本实施例采用量程为2cm；位移传感器精度范围为0.001mm～0.01mm，本实施例采用位移传感器精度为0.005mm。
被测试夹层结构10可采用蜂窝夹层板，也可采用碳纤维层合板或玻璃钢板等，含有但不限于上述三种材料。
基于上述测试系统实施例的结构描述，现对采用该实施例的系统进行测试评估的方法进行描述：
步骤1：计算机通过以下公式获取初始常温下被测试夹层结构的抗弯刚度，具体计算公式为：
其中，P为两个力学加载机构施加的外力之和，w为常温环境下被测试夹层结构中点发生的位移，l为夹具与被测试夹层结构两处接触位置之间的跨度，d为的被测试夹层结构宽度，DxL(T0)为常温下夹层结构的抗弯刚度；
步骤2：加热光源开始工作，计算机通过以下公式获取温度变化过程中被测试夹层结构的抗弯刚度，具体计算公式为：
其中，w(Ti)为受辐照面温度为Ti时被测试夹层结构中点发生的位移；
步骤3：计算温度Ti下被测试夹层结构的抗弯刚度保持系数ηD(Ti)为：
步骤4：对温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能进行评估；
设，抗弯刚度保持系数阈值为C，C为常量；
当ηD(Ti)的值小于C时，则认为在温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能出现了明显下降，不符合使用要求，需注意材料在此温度下工程应用的风险。
当ηD(Ti)的值大于等于C时，则认为在温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能符合使用要求。
如果夹层结构在工程应用中作为主承力结构使用，则C值一般取0.8；如果夹层结构在工程应用中只是作为气动蒙皮等非主承力结构使用，则C值取0.5。
Claims (10)
1.一种夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
包括光学平台(14)、加热光源(3)、微透镜阵列(9)、热像仪(12)、夹具(11)、位移传感器(4)、力学加载机构以及计算机(8)；
加热光源(3)安装在光学平台(14)上，加热光源(3)的出射光路上安装微透镜阵列(9)，微透镜阵列(9)的透射光路上安装被测试夹层结构(10)，被测试夹层结构(10)前表面接收微透镜阵列(9)的透射光，被测试夹层结构(10)的后表面与安装在光学平台(14)上的夹具(11)接触，且接触位置为间隔的两简支点；
力学加载机构为两组，两组力学加载机构分别对被测试夹层结构(10)的上端面边缘和下端面边缘施加大小、方向均相同的外力；
位移传感器(4)安装在光学平台(14)上，用于检测被测试夹层结构(10)在外力作用下中点的位移量；
热像仪(12)安装在光学平台(14)上，用于检测被测试夹层结构(10)受激光辐照面的温度；
计算机(8)分别与热像仪(12)以及位移传感器(4)连接；
所述加热光源(3)、微透镜阵列(9)、夹具(11)以及位移传感器(4)的中心位于同一高度。
2.根据权利要求书1所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
所述夹具(11)包括平板(19)以及垂直固连在平板两端的两个侧板(18)；两个侧板(18)的外沿分别与被测试夹层结构(10)后表面接触；夹具跨度(16)与夹具外伸臂(17)之间的比值不小于3:1；所述夹具跨度(16)为两个侧板(18)与被测试夹层结构(10)后表面接触位置之间的距离；所述夹具外伸臂(17)为被测试夹层结构(10)上端面或下端面与侧板(18)外沿和被测试夹层结构(10)接触点之间的距离。
3.根据权利要求书2所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
所述力学加载机构包括力学加载杆(5)、钢丝绳(13)、定滑轮(7)以及砝码(6)；
所述力学加载杆(5)安装在被测试夹层结构(10)的上端面及下端面，定滑轮(7)安装在光学平台(14)上，钢丝绳(13)的一端与力学加载杆(5)固连，另一端绕过定滑轮(7)后连接所述砝码(6)。
4.根据权利要求书3所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
所述光学平台(14)上设置有高度不同的多根螺杆(15)，所述多根螺杆(15)分别用于安装加热光源(3)、微透镜阵列(9)，被测试夹层结构(10)、夹具(11)、位移传感器(4)以及热像仪(12)。
5.根据权利要求书4所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
所述位移传感器(4)可采用激光测距式位移传感器与机械式位移传感器。
6.根据权利要求书5所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
所述位移传感器(4)的量程范围为10mm～5cm，位移传感器(4)精度范围为0.001mm～0.01mm。
7.根据权利要求书6所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
所述力学加载杆(5)为耐高温圆形钢管制成，其外径为0.5mm～2mm，内径≥0.3mm。
8.根据权利要求书7所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：
所述砝码(6)的重量范围为0.1kg～1kg。
9.根据权利要求书8所述夹层结构抗弯性能热损伤效应的测试系统，其特征在于：所述加热光源为激光器或石英灯阵。
10.一种夹层结构抗弯性能热损伤效应的评估方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的测试系统，具体步骤如下：
【1】获取初始常温下被测试夹层结构的抗弯刚度，具体计算公式为：
其中，P为两个力学加载机构施加的外力之和，w为常温环境下被测试夹层结构发生的位移，l为夹具与被测试夹层结构两处接触位置之间的跨度，d为的被测试夹层结构宽度，DXL(T0)为常温下夹层结构的抗弯刚度；
【2】获取温度变化过程中被测试夹层结构的抗弯刚度，具体计算公式为：
其中，w(Ti)为某时刻受辐照面温度为Ti时被测试夹层结构中点发生的位移；
【3】计算温度Ti下被测试夹层结构的抗弯刚度保持系数ηD(Ti)为：
【4】对温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能进行评估；
设，抗弯刚度保持系数阈值为C，C为常量，取值为0.8或0.5；
当ηD(Ti)的值小于C时，则认为在温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能出现了明显下降，不符合使用要求；
当ηD(Ti)的值大于等于C时，则认为在温度Ti下被测试夹层结构抗弯性能符合使用要求。
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