CN111157172B - 一种结构件成型时局部压力的实时监测方法 - Google Patents

一种结构件成型时局部压力的实时监测方法 Download PDF

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Abstract

一种结构件成型时局部压力的实时监测方法，所述方法基于毛细管测压法，测压所用的毛细管整体水平设置且毛细管内充满液体传压介质，测压所用的毛细管外露一端与压力传感器储油腔密封连接，毛细管的另一端为其测量端；在预浸料铺贴过程中，在预浸料上设置用于容纳所述毛细管测量端的定位槽，且将设置在定位槽中的毛细管测量端的端口用树脂封端包裹，该树脂为与预浸料中树脂原材料相同的树脂，且将毛细管测量端以及树脂封端段均用预浸料整体包裹，所述预浸料为制备所述结构件相同的预浸料。本发明通过对毛细管测量端端口进行双层包裹处理，即先利用树脂包裹再利用预浸料包裹，使得毛细管测压法在测局部小尺寸压力时能够稳定可靠。

Description

一种结构件成型时局部压力的实时监测方法
技术领域
本发明属于航空航天制造领域，为复合材料加筋壁板成型过程在线监测技术，具体涉及到一种结构件成型时局部压力的实时监测方法。
背景技术
先进复合材料具有密度小、比强度高、比模量高、耐高温、抗疲劳等显著优点，已经广泛应用于航空航天等高科技领域。轻质、高效、低成本的复合材料加筋结构，结构稳定性好，轴向载荷传递效率高，还可大量减少构件数量和装配工时。帽型加筋壁板即是一种复合材料加筋结构，属于典型结构件，主要由帽型长桁2、蒙皮1和捻子条3构成，其中蒙皮1是由多层的预浸料经铺贴而成。采用“干长桁+湿蒙皮”共胶结工艺成型过程中，帽型加筋壁板三角区A位于长桁2、蒙皮1和捻子条3交界的区域，且三角区A填充的捻子条3为非对称结构，如图1所示，三角区A内部压力分布不均匀易导致三角区A下方蒙皮1产生褶皱、气孔等缺陷。故须全过程实时监测三角区的压力分布。
“干长桁+湿蒙皮”共胶结工艺制造环境的不均匀性，固化过程具有的不可见性以及三角区有效测试范围小即局部小尺寸，加大了复合材料帽型壁板三角区压力观测的难度。亟需针对典型结构件采用共胶结工艺成型时，提出一种三角区压力全过程实时监测策略。
本申请人的在先专利文献CN201711402069.7公开了一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以及方法，其中监测系统包括温度传感器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、压力传感器、数据记录仪和上位机，上位机中运行有多参数监测模块执行监测，其中在线监测方法包括测温度步骤、监测压力步骤、监测应变步骤和监测应力步骤。但该方法在对帽型加筋壁板三角区的压力进行测量时，受到了有效测试范围小即局部小尺寸的限制，无法测量出相应的压力数据。
本申请人的另一在先专利文献CN201721812846.0公开了一种压力测量装置，包括一个测压单件或至少两个并列设置的测压单件，测压单件包括绝压变送器、储液腔、密封螺钉和毛细管。还公开了包含上述压力测量装置的压力监测系统，压力监测系统还包括热压罐、数据记录仪以及上位机。但该压力测量装置也无法将帽型加筋壁板三角区的压力直接测量得出。
因此，本领域需要一种结构件成型时局部小尺寸压力的实时监测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构件成型时局部压力的实时监测方法，解决了典型结构件采用共胶结工艺成型时的局部小尺寸处的压力无法进行实时监测的技术问题。
本发明的技术方案是，
一种结构件成型时局部压力的实时监测方法，所述方法基于毛细管测压法，测压所用的毛细管整体水平设置且毛细管内充满液体传压介质，测压所用的毛细管外露一端与压力传感器储油腔密封连接，毛细管的另一端即成型后设置在结构件内部的一端为其测量端；在预浸料铺贴过程中，在预浸料上设置用于容纳所述毛细管测量端的定位槽，且将设置在定位槽中的毛细管测量端的端口用树脂封端包裹，该树脂为与预浸料中树脂原材料相同的树脂，且将毛细管测量端以及树脂封端段均用预浸料整体包裹，所述预浸料为制备所述结构件相同的预浸料。
在一种具体的实施方式中，将毛细管测量端以及树脂封端段均用预浸料整体包裹后，还用胶膜铺盖安装在定位槽中的毛细管测量端和包裹毛细管的预浸料；然后再继续用预浸料进行铺层，铺贴完毕后，将帽型长桁通过胶膜与预浸料胶接。
在一种具体的实施方式中，当需要对三角区压力的水平分布情况进行监测时，先在一个三角区内选择四个等间隔排列的待测点，由于帽型长桁具有对称性，一根长桁与蒙皮会形成两个三角区，两端共存在四个可测区域，将四个待测点分散至四个可测区域进行监测，每个可测区域监测一个待测点。
在一种具体的实施方式中，当需要对三角区压力的水平分布情况进行监测时，先在一个三角区内选择四个等间隔排列的待测点，由于帽型长桁具有对称性，一根长桁与蒙皮会形成两个三角区，两端共存在四个可测区域，将四个待测点错位分散至两个可测区域进行监测，每个可测区域监测两个待测点。
在一种具体的实施方式中，当需要对三角区压力的不同厚度位置分布情况进行监测时，先在一个三角区内选择一个位置，在该位置上选择四个等厚度间隔排列的待测点，由于帽型长桁具有对称性，一根长桁与蒙皮会形成两个三角区，两端共存在四个可测区域，将四个待测点分散至四个可测区域进行监测，每个可测区域监测一个待测点。
在一种具体的实施方式中，所述预浸料整体包裹是通过对折预浸料的方式将毛细管测量端以及树脂封端段夹在对折的预浸料中间进行整体包裹，毛细管贴在对折线上。
在一种具体的实施方式中，包裹毛细管的预浸料对折后的宽度为1～2cm，预浸料对折后从毛细管测量端端口沿对折线向外延伸的长度为2～3cm；预浸料对折后从毛细管测量端端口沿对折线向内包裹了毛细管的长度为2～3cm。
在一种具体的实施方式中，所述毛细管的外径为0.4mm～1.0mm。
在一种具体的实施方式中，所述毛细管的外径为0.8mm，所述毛细管的壁厚为0.1mm。
在一种具体的实施方式中，所述液体传压介质为硅油；用于容纳所述毛细管测量端的定位槽距离蒙皮两侧面的距离均大于7层预浸料。
本发明的有益效果包括：
本发明通过对毛细管测量端端口进行双层包裹处理，即先利用树脂包裹再利用预浸料包裹，使得毛细管测压法在测局部小尺寸压力时能够稳定可靠。在热压固化过程中，毛细管测量端最里层用来包裹的树脂会在热压下融成液态，而呈液态的树脂又被包裹在作为二次包裹材料的预浸料中，在固化过程中外界压力的压迫下，呈液态的树脂会沿毛细管挤压作为液体传压介质硅油，进而使压力传感器接收到所要测量的压力数据。
本发明所用的毛细管测压属于内置式测压方法，毛细管势必会引入制件内部，埋入毛细管的位置并不是直接接触三角区下方蒙皮褶皱的区域，而是有一定高度差，因此毛细管测量端的埋入基本不会对制件宏观形貌产生影响，即不存在宏观褶皱现象。外径0.8mm壁厚0.1mm的毛细管埋入制件中间层后，引起的局部变形主要集中在相邻的7层。因实际铺层数量远超出其影响区域，所以不会对制件的整体形貌产生影响。其次，毛细管的直径较小，埋入深度有限并非贯穿整个制件。本发明所用的毛细管测压法可以反应监测点在固化过程中的压力变化。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明中帽型加筋壁板三角区的示意图。
图2为本发明中帽型加筋壁板的主视图。
图3为本发明中帽型加筋壁板的示意图。
图4为本发明中帽型加筋壁板待测点错位布置的示意图。
其中，1、蒙皮；2、长桁；3、捻子条；A、三角区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
三角区压力监测方法
所述方法基于毛细管测压法，测压所用的毛细管整体水平设置且毛细管内充满液体传压介质硅油，所述毛细管的外径为0.8mm，所述毛细管的壁厚为0.1mm。测压所用的毛细管一端与压力传感器储油腔密封连接，毛细管的另一端即成型后设置在结构件内部的一端作为测量端设置在待测部，毛细管测量端的设置包括以下步骤：
步骤S1：用单向预浸料从蒙皮一侧的表面向上铺贴蒙皮至n层，n层距离蒙皮1两侧面的距离均大于7层。毛细管埋入制件中间层后，引起的局部变形主要集中在相邻的7层，因而毛细管埋入位置离蒙皮1表层应大于7层。因蒙皮实际铺预浸料的层数量远超出其影响区域，所以不会对制件的整体形貌产生影响。优选毛细管的位置设置在从蒙皮上胶接帽型长桁的一侧往未胶接的一侧数的第八层预浸料和第九层预浸料之间。
步骤S2：由于帽型长桁2具有对称性，一根长桁2与蒙皮1会形成两个三角区A，两端共存在四个可测区域，分别记做C1、C2、C3和C4，先在一个可测区域内标记四个等间隔排列的待测位置Q1、Q2、Q3和Q4，然后在其他三个可测区域内，标记对应的待测位置Q1、Q2、Q3和Q4，将四个待测位置分散至四个可测区域进行监测，每个可测区域监测一个待测位置，如在C1可测区域监测Q1位置，在C2可测区域监测Q2位置，在C3可测区域监测Q3位置，在C4可测区域监测Q4位置，并在预浸料从下向上铺贴的第n层开设平行于长桁2的长度方向的定位槽。
考虑到相邻毛细管之间的预留间隔，单个可测区域并排设置多个待测点可能会对测试结果产生影响，而多组重复试验耗费量较大，待测点位置难以精确保证，因此将待测点分散到四个可测区域进行测量，以四个可测区域不同位置的待测点的测量结果反应单个可测区域的压力分布状态。首先，四个可测区域的几何尺寸完全相同，填放位置相同，使用材料相同，除人为铺贴误差外，可近似的认为是同一可测区域。其次，单次实验使用的模具为同一模具，可排除模具不同带来的几何误差。然后，实验是在同一固化条件下进行，即每次实验的设定温度和压力相同，除对比组外，不存在固化过程带来的误差。因此，将待测点分散到四个可测区域进行测量，最后的测量结果可近似反应单个可测区域的压力分布状态。
步骤S3：将毛细管测量端端口用与铺贴蒙皮所用的预浸料原材料相同的树脂封端包裹。树脂将毛细管测量端端口包裹形成直径为2～3mm的不规则球体。采用与预浸料原材料相同的树脂包裹能尽量减少对蒙皮的影响，而树脂能在热压固化过程中转为液态，进而在外界压力作用下进入毛细管传递压力。
步骤S4：将步骤S3包裹好的毛细管测量端用铺贴蒙皮所用的预浸料包裹。包裹毛细管的预浸料对折后的宽度为1～2cm，预浸料对折后从毛细管测量端端口沿对折线向外延伸的长度为2～3cm；预浸料对折后从毛细管测量端端口沿对折线向内包裹了毛细管的长度为2～3cm。通过对折预浸料进行包裹能尽量减少对蒙皮的影响，又能包裹住树脂。
步骤S5：将步骤S4中用预浸料包裹好的毛细管安装在定位槽中。
步骤S6：用胶接蒙皮与长桁所用的高温胶膜铺盖毛细管。
步骤S7：继续用预浸料对蒙皮1进行铺层，铺贴完毕后，将帽型长桁2通过胶膜与蒙皮1胶接。
实施例2
三角区压力监测方法
所述方法基于毛细管测压法，测压所用的毛细管整体水平设置且毛细管内充满液体传压介质硅油，所述毛细管的外径为0.8mm，所述毛细管的壁厚为0.1mm。测压所用的毛细管一端与压力传感器储油腔密封连接，毛细管的另一端即成型后设置在结构件内部的一端作为测量端设置在待测部，毛细管测量端的设置包括以下步骤：
步骤S1：用单向预浸料从蒙皮一侧的表面向上铺贴蒙皮至n层，n层距离蒙皮1两侧面的距离均大于7层。
步骤S2：由于帽型长桁2具有对称性，一根长桁2与蒙皮1会形成两个三角区A，两端共存在四个可测区域，分别记做C1、C2、C3和C4，先在一个可测区域内标记四个等间隔排列的待测位置Q1、Q2、Q3和Q4，然后在其他三个可测区域内，标记对应的待测位置Q1、Q2、Q3和Q4，将四个待测位置错位分散至两个可测区域进行监测，每个可测区域监测两个待测位置，如在C1可测区域监测Q1和Q3位置，在C2可测区域监测Q2和Q4位置，并在预浸料从下向上铺贴的第n层开设平行于长桁2的长度方向的定位槽。由于同一可测区域内开设的不同定位槽的距离较近，两定位槽内放置毛细管测量端后会在两毛细管测量端之间形成一条沟槽，需用长条预浸料进行填充。
步骤S3：将毛细管测量端端口用与铺贴蒙皮所用的预浸料原材料相同的树脂封端包裹。
步骤S4：将步骤S3包裹好的毛细管测量端用铺贴蒙皮所用的预浸料包裹。
步骤S5：将步骤S4中用预浸料包裹好的毛细管安装在定位槽中。
步骤S6：用胶接蒙皮与长桁所用的高温胶膜铺盖毛细管。
步骤S7：继续用预浸料对蒙皮1进行铺层，铺贴完毕后，将帽型长桁2通过胶膜与蒙皮1胶接。
实施例3
三角区厚度方向压力监测方法
所述方法基于毛细管测压法，测压所用的毛细管整体水平设置且毛细管内充满液体传压介质硅油，所述毛细管的外径为0.8mm，所述毛细管的壁厚为0.1mm。测压所用的毛细管一端与压力传感器储油腔密封连接，毛细管的另一端即成型后设置在结构件内部的一端作为测量端设置在待测部，毛细管测量端的设置包括以下步骤：
步骤S1：用单向预浸料从蒙皮一侧的表面向上铺贴蒙皮至n层，n层距离蒙皮1两侧面的距离均大于7层。
步骤S2：由于帽型长桁具有对称性，一根长桁2与蒙皮1会形成两个三角区A，两端共存在四个可测区域，先在一个可测区域内的水平方向上标记一个位置，在该水平位置上选择m个等厚度间隔排列的待测点，将m个待测点分散至m个可测区域进行监测，在每个可测区域的相同水平位置监测一个待测点，且每个待测点的位置离蒙皮下表面的垂直距离不同。单个可测区域厚度方向埋放多根毛细管，易导致测试数据失真，将理论上单个可测区域m个待测点的位置，分别对应设置在m个可测区域处，测试采用的长桁数量为大于等于m/4，并在每根毛细管对应设置的预浸料层开设平行于长桁2的长度方向的定位槽，毛细管设置在从蒙皮一侧的表面向上铺贴的第n层与第n+1层预浸料之间。将待测点分散到m个可测区域进行测量，以m个可测区域不同厚度位置的待测点的测量结果反应单个可测区域厚度方向的压力状态。
步骤S3：将毛细管测量端端口用与铺贴蒙皮所用的预浸料原材料相同的树脂封端包裹。
步骤S4：将步骤S3包裹好的毛细管测量端用铺贴蒙皮所用的预浸料包裹。
步骤S5：将步骤S4中用预浸料包裹好的毛细管安装在定位槽中。
步骤S6：用胶接蒙皮与长桁所用的高温胶膜铺盖毛细管。
步骤S7：继续用预浸料对蒙皮1进行铺层，铺贴完毕后，将帽型长桁通过胶膜与蒙皮胶接。
当树脂、预浸料和胶膜的温度低于一定温度时会发生固化反应。在热压固化过程中，毛细管测量端最里层用来包裹的树脂会在热压下融成液态，而呈液态的树脂又被包裹在作为二次包裹材料的预浸料中，在固化过程中外界压力的压迫下，呈液态的树脂会沿毛细管挤压作为液体传压介质硅油，进而使压力传感器接收到所要测量的压力数据。
毛细管测压属于内置式测压方法，毛细管势必会引入制件内部，埋入毛细管的位置并不是直接接触三角区下方蒙皮褶皱的区域，而是有一定高度差，因此毛细管测量端的埋入基本不会对制件宏观形貌产生影响，即不存在宏观褶皱现象。外径0.8mm壁厚0.1mm的毛细管埋入制件中间层后，引起的局部变形主要集中在相邻的7层。因实际铺层数量远超出其影响区域，所以不会对制件的整体形貌产生影响。其次，毛细管的直径较小，埋入深度有限并非贯穿整个制件。本发明所用的毛细管测压法可以反应监测点在固化过程中的压力变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种结构件成型时局部压力的实时监测方法，其特征在于，所述方法基于毛细管测压法，测压所用的毛细管整体水平设置且毛细管内充满液体传压介质，测压所用的毛细管外露一端与压力传感器储油腔密封连接，毛细管的另一端即成型后设置在结构件内部的一端为其测量端；在预浸料铺贴过程中，在预浸料上设置用于容纳毛细管测量端的定位槽，且将设置在定位槽中的毛细管测量端的端口用树脂封端包裹，该树脂为与预浸料中树脂原材料相同的树脂，且将毛细管测量端以及树脂封端段均用预浸料整体包裹，所述预浸料为制备所述结构件相同的预浸料；将毛细管测量端以及树脂封端段均用预浸料整体包裹后，还用胶膜铺盖安装在定位槽中的毛细管测量端和包裹毛细管的预浸料；然后再继续用预浸料进行铺层，铺贴完毕后，将帽型长桁(2)通过胶膜与预浸料胶接；
当需要对三角区(A)压力的水平分布情况进行监测时，先在一个三角区(A)内选择四个等间隔排列的待测点，由于帽型长桁具有对称性，一根长桁(2)与蒙皮(1)会形成两个三角区(A)，两端共存在四个可测区域，将四个待测点分散至四个可测区域进行监测，每个可测区域监测一个待测点；
或者当需要对三角区(A)压力的水平分布情况进行监测时，先在一个三角区(A)内选择四个等间隔排列的待测点，由于帽型长桁具有对称性，一根长桁(2)与蒙皮(1)会形成两个三角区(A)，两端共存在四个可测区域，将四个待测点错位分散至两个可测区域进行监测，每个可测区域监测两个待测点；
或者当需要对三角区(A)压力的不同厚度位置分布情况进行监测时，先在一个三角区内选择一个位置，在该位置上选择四个等厚度间隔排列的待测点，由于帽型长桁(2)具有对称性，一根长桁(2)与蒙皮(1)会形成两个三角区(A)，两端共存在四个可测区域，将四个待测点分散至四个可测区域进行监测，每个可测区域监测一个待测点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预浸料整体包裹是通过对折预浸料的方式将毛细管测量端以及树脂封端段夹在对折的预浸料中间进行整体包裹，毛细管贴在对折线上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包裹毛细管的预浸料对折后的宽度为1～2cm，预浸料对折后从毛细管测量端端口沿对折线向外延伸的长度为2～3cm；预浸料对折后从毛细管测量端端口沿对折线向内包裹了毛细管的长度为2～3cm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述毛细管的外径为0.4mm～1.0mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述毛细管的外径为0.8mm，所述毛细管的壁厚为0.1mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体传压介质为硅油；用于容纳毛细管测量端的定位槽距离蒙皮(1)两侧面的距离均大于7层预浸料。
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