CN110017972A - 一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法 - Google Patents

一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法，通过模压及冲压工艺，制备碳纤维树脂基复合材料单层风扇摆片，设计动态及静态载荷实验，表征其力学性能；使用有限元软件Abaqus分别模拟了该摆片在动态和静态受力作用情况下的应力分布，与力学实验对照，分析风扇摆片的使用情况；运用数学模型，估算摆片使用寿命，量化分析摆片老化情况；分析湿热条件对复合材料的影响，判断环境因素对材料老化的作用。这对于增加复合材料老化预测的准确度方面具有较为重要的意义。

Description

一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法
技术领域
本发明涉及老化性能预测技术领域，具体为一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料是以树脂为基体、碳纤维为增强体、采用先进复合材料的成型加工方法制备的一系列高性能复合材料。碳纤维增强树脂基复合材料作为先进复合材料的一个最重要的分支，具有比强度和比模量高，可设计性好，抗疲劳性好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好，以及便于大面积整体成型的独特优点，还有特殊的电磁性能和吸波隐身作用，充分体现了集结构承载和功能于一身的特点，得到了广泛的应用，称为发展最迅速、应用最广泛的一类复合材料；人工风化作用是模拟室外气候条件的实验室加速老化试验用于模拟材料所使用的外部环境氙灯模拟自然光，紫外光在自然光中可引起树脂基体大分子链的降解是聚合物老化失效的主要原因因素；本发明根据碳纤维/树脂复合材料的特殊性，研究其作为单层片材原料的力学性能，探讨其作为风扇摆片等情况的应用性；以及根据其工作条件，探究湿热环境对其性能的影响程度和作用机理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法，包括以下步骤：
A、摆片的制备：
a、首先采用模压成型将单层预浸料固化成型；其中，预浸料尺寸为长320mm、宽200mm；模压机固化温度为150℃，固化时长为3h，压强3MPa，压力21t；
b、采用冲压工艺，使用冲压床将薄板切成所需要的形状，制得的风扇摆片外轮廓尺寸为长60mm，宽13mm；
B、风扇动态实验：采用磁线圈带动摆片横向往复摆动，加载电压运行该装置，记录摆片振动频率随着时间的变化，在不同加载点和条件下，均监测到摆片振动频率发生衰减，证明摆片材质发生老化；
C、静态实验分析：将制备的试样打孔处一端固定，另一端施加载荷使其位移，通过拉丝力学试验机测量力值与位移，绘制片材静态载荷实验的载荷-位移曲线；在动态实验进行的过程中，选取相应时间点对摆片进行静态载荷实验，获得摆片在不同时段的位移载荷曲线，通过有限元分析软件计算材料的力学性能参数，分析其衰减趋势；
D、寿命估计与模拟。
优选的，所述步骤D包括Gamma退化过程、加速模型、参数估计和模拟数据处理；其中，Gamma退化过程{X(t),t≥0}包含形状参数v和尺度参数u两个参数，设失效阈值为l，性能退化量首次到达失效阈值的时间为T，则有：
则T的分布函数为其中，为不完全Gamma函数；
式中，φ(·)为标准正态分布；β＝l/μν，相应的概率密度函数为
加速模型：在随机振动加速试验中加速模型一般采用逆幂律模型r(Sk)＝ASk -C，其中r为退化率，A为一正常数，C为一与激活能有关的正常数；Sk为加速应力；
参数估计：加速试验过程中，应力水平为K＝3,每个应力投入N＝3个试验样品，每个样品采集11个数据点，时间间隔为Δt＝10h。Xijk为第j个样品在第k个加速应力水平下第i次的测量值，tijk为相应的测量时间，ΔXijk＝Xijk－X(i－1)jk为性能退化量的增量，Δtijk＝tijk－t(i－1)jk为时间增量；根据Gamma过程特性有ΔXijk～Ga(vΔtijk,u)；
由性能退化数据得到似然函数为利用Gamma过程对产品性能退化进行建模时，形状参数ν描述应力对产品性能的影响，尺度参数μ描述随机因素对产品性能的影响；可根据加速因子(加速系数)的定义和加速试验中失效机理不变原则，推导出形状参数ν和尺度参数μ与加速应力之间的关系，推导过程如下：
若Fi(ti)和Fj(tj)分别表示产品在应力Si和Sj作用下的累积失效概率，如Fi(ti)＝Fj(tj)可将应力Si相当于应力Sj的加速因子定义为满足下式：
根据产品在各加速应力下失效机理不变的要求，Kij应是与可靠度无关的常数，即恒有下式成立：
Fi(ti)＝Fj(Kijti)
将式代入式Fi(ti)＝Fj(Kijti)可得
故要求
αi -1βi -1/2＝αj -1βj -1/2Kij 1/2
αi -1βi 1/2＝αj -1βj 1/2Kij -1/2
可得以及
可知μ值与应力水平无关，v值与加速应力有关，两者之间的关系可用退化率函数描述：ν＝ASk -C(10)
将式ν＝ASk -C代入式(可得似然函数
将性能退化量ΔXijk,Δtijk,Sk带入上式，可解的未知参数A,C,u值和正常工作应力水平下的v0值。
优选的，所述模拟数据处理包括如下过程：抽取9个样品，选择在3个应力水平下S1＝0.75,S2＝0.85,S3＝0.95下进行性能退化试验，每个组合应力下投放3个样品，S0＝0.3为正常工作应力水平，时间间隔均为10h，假设失效阈值为5；建立极大似然函数；利用测量数据(ΔXijk,Δtijk)，通过极大似然估计可解得为(0.0349,1.0878,1,2880)，可解得在S0下，
可得样品在S0下的失效概率函数为
可得样品在S0下的失效密度函数为
样品寿命的期望值即为样品的平均寿命，可根据概率密度函数求得，计算过程如下式：
将值代入上式，计算得
将式ν＝ASk -C代入式可进一步得到样品的在各应力水平下的平均寿命函数根据式可计算出产品可靠寿命。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过模压及冲压工艺，制备碳纤维树脂基复合材料单层风扇摆片，设计动态及静态载荷实验，表征其力学性能；使用有限元软件Abaqus分别模拟了该摆片在动态和静态受力作用情况下的应力分布，与力学实验对照，分析风扇摆片的使用情况；运用数学模型，估算摆片使用寿命，量化分析摆片老化情况；分析湿热条件对复合材料的影响，判断环境因素对材料老化的作用。这对于增加复合材料老化预测的准确度方面具有较为重要的意义。
附图说明
图1为本发明摆片结构示意图；
图2为本发明性能退化数据样品在第一应力下的性能退化曲线图；
图3为本发明性能退化数据样品在第二应力下的性能退化曲线图；
图4为本发明性能退化数据样品在第三应力下的性能退化曲线图；
图5为本发明样品的失效概率密度函数曲线图；
图6为本发明样品的失效概率曲线图；
图7本发明中高温叶片测量的所有点取线性趋势图；
图8为本发明中高温和低温叶片测量的所有点取线性趋势对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法，包括以下步骤：
A、摆片1的制备：
a、首先采用模压成型将单层预浸料固化成型；其中，预浸料尺寸为长320mm、宽200mm；模压机固化温度为150℃，固化时长为3h，压强3MPa，压力21t；
b、采用冲压工艺，使用冲压床将薄板切成所需要的形状，制得的风扇摆片外轮廓尺寸为长60mm，宽13mm；
B、风扇动态实验：采用磁线圈带动摆片横向往复摆动，加载电压运行该装置，记录摆片振动频率随着时间的变化，在不同加载点和条件下，均监测到摆片振动频率发生衰减，证明摆片材质发生老化；
C、静态实验分析：将制备的试样打孔处一端固定，另一端施加载荷使其位移，通过拉丝力学试验机测量力值与位移，绘制片材静态载荷实验的载荷-位移曲线；在动态实验进行的过程中，选取相应时间点对摆片进行静态载荷实验，获得摆片在不同时段的位移载荷曲线，通过有限元分析软件计算材料的力学性能参数，分析其衰减趋势；
D、寿命估计与模拟。
本发明中，步骤D包括Gamma退化过程、加速模型、参数估计和模拟数据处理；其中，Gamma退化过程{X(t),t≥0}包含形状参数v和尺度参数u两个参数，设失效阈值为l，性能退化量首次到达失效阈值的时间为T，则有：
则T的分布函数为其中，为不完全Gamma函数；
式中，φ(·)为标准正态分布；β＝l/μν，相应的概率密度函数为
加速模型：在随机振动加速试验中加速模型一般采用逆幂律模型r(Sk)＝ASk -C，其中r为退化率，A为一正常数，C为一与激活能有关的正常数；Sk为加速应力；
参数估计：加速试验过程中，应力水平为K＝3,每个应力投入N＝3个试验样品，每个样品采集11个数据点，时间间隔为Δt＝10h。Xijk为第j个样品在第k个加速应力水平下第i次的测量值，tijk为相应的测量时间，ΔXijk＝Xijk－X(i－1)jk为性能退化量的增量，Δtijk＝tijk－t(i－1)jk为时间增量；根据Gamma过程特性有ΔXijk～Ga(vΔtijk,u)；
由性能退化数据得到似然函数为利用Gamma过程对产品性能退化进行建模时，形状参数ν描述应力对产品性能的影响，尺度参数μ描述随机因素对产品性能的影响；可根据加速因子(加速系数)的定义和加速试验中失效机理不变原则，推导出形状参数ν和尺度参数μ与加速应力之间的关系，推导过程如下：
若Fi(ti)和Fj(tj)分别表示产品在应力Si和Sj作用下的累积失效概率，如Fi(ti)＝Fj(tj)可将应力Si相当于应力Sj的加速因子定义为满足下式：
根据产品在各加速应力下失效机理不变的要求，Kij应是与可靠度无关的常数，即恒有下式成立：
Fi(ti)＝Fj(Kijti)
将式代入式Fi(ti)＝Fj(Kijti)可得
故要求
αi -1βi -1/2＝αj -1βj -1/2Kij 1/2
αi -1βi 1/2＝αj -1βj 1/2Kij -1/2
可得以及
可知μ值与应力水平无关，v值与加速应力有关，两者之间的关系可用退化率函数描述：ν＝ASk -C(10)
将式ν＝ASk -C代入式(可得似然函数
将性能退化量ΔXijk,Δtijk,Sk带入上式，可解的未知参数A,C,u值和正常工作应力水平下的v0值。
如图2-6所示，本发明中，模拟数据处理包括如下过程：抽取9个样品，选择在3个应力水平下S1＝0.75,S2＝0.85,S3＝0.95下进行性能退化试验，每个组合应力下投放3个样品，S0＝0.3为正常工作应力水平，时间间隔均为10h，假设失效阈值为5；建立极大似然函数；利用测量数据(ΔXijk,Δtijk)，通过极大似然估计可解得为(0.0349,1.0878,1,2880)，可解得在S0下，
可得样品在S0下的失效概率函数为
可得样品在S0下的失效密度函数为
样品寿命的期望值即为样品的平均寿命，可根据概率密度函数求得，计算过程如下式：
将值代入上式，计算得
将式ν＝ASk -C代入式可进一步得到样品的在各应力水平下的平均寿命函数根据式可计算出产品可靠寿命。
如图7-8所示，本发明中，还包括湿热条件影响分析：将摆片(高温固化、低温固化两组)分别放置于75℃水浴锅中加热一周进行湿热实验，期间分隔处理，避免物质交互混杂。测量湿热处理前后摆片的尺寸、重量，计算其密度及吸湿率：如下表所示：
编号 初始质量 湿态质量 吸湿率
高温2 0.2248 0.227367 0.011418
高温3 0.2428 0.2462 0.014003
高温4 0.2421 0.245133 0.012529
低温1 0.2691 0.2743 0.019324
低温2 0.2696 0.272733 0.011622
低温3 0.2565 0.2593 0.010916
低温4 0.2696 0.2729 0.01224
由以上表格数据可知低温固化叶片的吸湿率13.53％是要高于高温叶片12.65％的；又测量其湿热处理前后静态载荷情况，记录其位移值与加载力值，绘制位移-载荷曲线图并代入有限元分析模型中计算其材料属性参数。
将高温和低温叶片测量的所有点取线性趋势线，可知，低温叶片的刚性强于高温叶片。
综合可知，湿热处理会增大摆片的重量，相较于高温固化叶片，其对低温固化叶片的影响更大。说明低温固化叶片耐湿热性较差。
本发明还采用基体形貌观察：将未经过湿热处理的叶片与经过湿热处理的叶片进行拉伸实验，将其拉伸断面进行扫描电镜观察，对比其形貌差异；首先是未经过湿热处理的叶片，其纤维表面较为粗糙，在复合材料的制作过程中可能不利于树脂的浸润；然而较为粗糙的表面也增大了纤维与基体的接触面积，使界面粘接强度有所提高；未处理的叶片纤维跟基体连接较为紧致；其次是经过处理的高温固化叶片，其纤维跟基体之间粘接也较为紧密，部分出现了间隙，疑为脱开粘连；最后是经过湿热处理的低温固化叶片，其纤维跟基体之间存在大量的普遍的间隙，表明其基体与纤维之间存在粘连不足的问题；综上，可以证明湿热处理对纤维结构确实产生了一定影响，且该影响直接对应了物理及力学性能差异。低温固化叶片耐湿热性较差。
综上所述，本发明通过模压及冲压工艺，制备碳纤维树脂基复合材料单层风扇摆片，设计动态及静态载荷实验，表征其力学性能；使用有限元软件Abaqus分别模拟了该摆片在动态和静态受力作用情况下的应力分布，与力学实验对照，分析风扇摆片的使用情况；运用数学模型，估算摆片使用寿命，量化分析摆片老化情况；分析湿热条件对复合材料的影响，判断环境因素对材料老化的作用。这对于增加复合材料老化预测的准确度方面具有较为重要的意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、摆片(1)的制备：
a、首先采用模压成型将单层预浸料固化成型；其中，预浸料尺寸为长320mm、宽200mm；模压机固化温度为150℃，固化时长为3h，压强3MPa，压力21t；
b、采用冲压工艺，使用冲压床将薄板切成所需要的形状，制得的风扇摆片外轮廓尺寸为长60mm，宽13mm；
B、风扇动态实验：采用磁线圈带动摆片横向往复摆动，加载电压运行该装置，记录摆片振动频率随着时间的变化，在不同加载点和条件下，均监测到摆片振动频率发生衰减，证明摆片材质发生老化；
C、静态实验分析：将制备的试样打孔处一端固定，另一端施加载荷使其位移，通过拉丝力学试验机测量力值与位移，绘制片材静态载荷实验的载荷-位移曲线；在动态实验进行的过程中，选取相应时间点对摆片进行静态载荷实验，获得摆片在不同时段的位移载荷曲线，通过有限元分析软件计算材料的力学性能参数，分析其衰减趋势；
D、寿命估计与模拟。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法，其特征在于：所述步骤D包括Gamma退化过程、加速模型、参数估计和模拟数据处理；其中，Gamma退化过程{X(t),t≥0}包含形状参数v和尺度参数u两个参数，设失效阈值为l，性能退化量首次到达失效阈值的时间为T，则有：
则T的分布函数为其中，为不完全Gamma函数；
式中，φ(·)为标准正态分布；β＝l/μν，相应的概率密度函数为
加速模型：在随机振动加速试验中加速模型一般采用逆幂律模型r(Sk)＝ASk -C，其中r为退化率，A为一正常数，C为一与激活能有关的正常数；Sk为加速应力；
参数估计：加速试验过程中，应力水平为K＝3,每个应力投入N＝3个试验样品，每个样品采集11个数据点，时间间隔为Δt＝10h。Xijk为第j个样品在第k个加速应力水平下第i次的测量值，tijk为相应的测量时间，ΔXijk＝Xijk－X(i－1)jk为性能退化量的增量，Δtijk＝tijk－t(i－1)jk为时间增量；根据Gamma过程特性有ΔXijk～Ga(vΔtijk,u)；
由性能退化数据得到似然函数为利用Gamma过程对产品性能退化进行建模时，形状参数ν描述应力对产品性能的影响，尺度参数μ描述随机因素对产品性能的影响；可根据加速因子(加速系数)的定义和加速试验中失效机理不变原则，推导出形状参数ν和尺度参数μ与加速应力之间的关系，推导过程如下：
若Fi(ti)和Fj(tj)分别表示产品在应力Si和Sj作用下的累积失效概率，如Fi(ti)＝Fj(tj)可将应力Si相当于应力Sj的加速因子定义为满足下式：
根据产品在各加速应力下失效机理不变的要求，Kij应是与可靠度无关的常数，即恒有下式成立：
Fi(ti)＝Fj(Kijti)
将式代入式Fi(ti)＝Fj(Kijti)可得
故要求
αi -1βi -1/2＝αj -1βj -1/2Kij 1/2
αi -1βi 1/2＝αj -1βj 1/2Kij -1/2
可得以及
可知μ值与应力水平无关，v值与加速应力有关，两者之间的关系可用退化率函数描述：ν＝ASk -C(10)
将式ν＝ASk -C代入式(可得似然函数
将性能退化量ΔXijk,Δtijk,Sk带入上式，可解的未知参数A,C,u值和正常工作应力水平下的v0值。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料单层风扇摆片老化性能预测方法，其特征在于：所述模拟数据处理包括如下过程：抽取9个样品，选择在3个应力水平下S1＝0.75,S2＝0.85,S3＝0.95下进行性能退化试验，每个组合应力下投放3个样品，S0＝0.3为正常工作应力水平，时间间隔均为10h，假设失效阈值为5；建立极大似然函数；利用测量数据(ΔXijk,Δtijk)，通过极大似然估计可解得为(0.0349,1.0878,1,2880)，可解得在S0下，
可得样品在S0下的失效概率函数为
可得样品在S0下的失效密度函数为
样品寿命的期望值即为样品的平均寿命，可根据概率密度函数求得，计算过程如下式：
将值代入上式，计算得
将式ν＝ASk -C代入式可进一步得到样品的在各应力水平下的平均寿命函数根据式可计算出产品可靠寿命。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112903571A (zh) * 2021-02-01 2021-06-04 中建西部建设建材科学研究院有限公司 一种模拟墙板耐候性试验方法
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