CN111307056B - 一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法 - Google Patents

一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，该方法包括以下步骤：提供一个芯模；在所述芯模上螺旋缠绕多层复合纤维材料；当缠绕至预定层数的中层后，主轴旋转停止，分将四个光栅光纤均固定在缠绕层顶部的外壁，四个光栅光纤的光栅区分别处于平行四边形的四个边上；进行剩余层数的缠绕操作；缠绕结束后进行升温固化，固化过程完成后，记录四个光栅的初始波长值，然后冷却至预定温度，记录冷却终点的四个光栅的波长值；分别计算复合材料缠绕管的轴向和环向的残余应变值。本发明操作简单、易于实现、测量结果可信，可以有效的检测固化过程中的残余应变。

Description

一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法。
背景技术
复合材料中的残余应力一般都产生于固化过程中，而且都较小，这就给残余应力的测量增添了一定的困难。目前测量复合材料固化残余应力的方法有两大类，即无损检测和有损检测。有损法一般都需要相应的设备支持，且测试过程复杂，影响因素较多，应变片法是目前使用较多的方法，但是由于体积较大，在残余应力的测量中的误差较大，再者缠绕过程中管的环向应力检测较为困难。因此研究一种简单，有效，直观的残余应变测试方法具有重要意义。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供一种简单且有效的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，包括如下步骤：
提供一个芯模；
在所述芯模上螺旋缠绕多层复合纤维材料；
当缠绕至预定层数的中层后，主轴旋转停止，分别将沿缠绕层的轴向方向设置的轴向应变光栅光纤和轴向温度补偿光栅光纤以及沿缠绕层的环向方向设置的环向应变光栅光纤及环向温度补偿光栅光纤均固定在缠绕层顶部的外壁，四个光栅光纤的光栅区分别处于平行四边形的四个边上；
进行剩余层数的缠绕操作；
缠绕结束后进行升温固化，固化过程完成后，记录四个光栅的初始波长值；
然后冷却至预定温度，记录冷却终点的四个光栅的波长值；
利用下述公式分别计算复合材料缠绕管的轴向和环向的残余应变值，其中ΔλA为应变光栅的波长变化，ΔλB为其对应的温度补偿光栅的波长变化，Kε为应变常数；
Figure BDA0002407306780000011
上述方案中，加热升温至120-150℃。
上述方案中，所述轴向应变光栅光纤、轴向温度补偿光栅光纤与环向应变光栅光纤、环向温度补偿光栅光纤的光栅区相垂直。
上述方案中，所述环向应变光栅光纤的一端与轴向应变光栅光纤的一端连接，所述环向应变光栅光纤的另一端沿着缠绕层的轴线方向从缠绕层外壁铺设后再沿着缠绕层外壁进行环向铺设后继续沿着缠绕层的轴线方向铺设，并与轴向温度补偿光栅光纤的另一端固定连接。
上述方案中，所述环向温度补偿光栅光纤的一端与轴向温度补偿光栅光纤的另一端固定连接，所述环向温度补偿光栅光纤的另一端沿着缠绕层的轴线方向从缠绕层外壁铺设后再沿着缠绕层外壁进行环向铺设后继续沿着缠绕层的轴线方向铺设，并与轴向应变光栅光纤的一端固定连接。
上述方案中，所述四个光栅光纤的栅区均用密封的铝箔胶带包裹。
上述方案中，所述环向应变光栅光纤及环向温度补偿光栅光纤的换向处均与相邻光栅光纤粘结固定。
上述方案中，所述粘结固定所使用的胶水为弹性硅胶。
上述方案中，所述弹性硅胶为卡夫特K-5204K型导热硅胶。
上述方案中，在进行剩余层数的缠绕操作之前还包括对缠绕层外表面进行加热升温使其接近凝胶为止的步骤。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1)本发明利用全桥粘接和加热固定处理，全桥状的四个光栅贴在缠绕件表面，采用分层固化原理，加热表面，树脂接近凝胶点的同时达到固定光栅的作用，可以有效的检测固化过程中的残余应变，解决了光栅在复合材料管残余应变测试上的光栅偏移破坏和环向固定问题。
2)本发明操作简单、易于实现、测量结果可信，可以有效的检测固化过程中的残余应变。
附图说明
图1是四个光纤粘贴在缠绕件的顶部的示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是粘接位置示意图。
图4是仿真的固化及降温温度曲线。
图5是实施例1ANSYS仿真结果。
图6是实施例2ANSYS仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，包括如下步骤：
步骤一、提供一个芯模；
步骤二、在芯模上螺旋缠绕多层复合纤维材料；在本实施例中，缠绕角度为±45°，缠绕管长度为300mm；层数：50；预埋层:24-25；
步骤三、当缠绕至中层(本实施例的24-25层)，主轴旋转停止，将粘接处理过的全桥光纤固定在缠绕层的顶部,如图1所示，其中5为芯模，6为缠绕件。
在本实施例中，具体为：整体结构如图2所示，光栅结构由4支光栅组成，轴向应变光栅1、轴向温度补偿光栅2、环向应变光栅3、环向温度补偿光栅4。环向应变光栅光纤的一端与轴向应变光栅光纤的一端连接，环向应变光栅光纤的另一端沿着缠绕层的轴线方向从缠绕层外壁铺设后再沿着缠绕层外壁进行环向铺设后继续沿着缠绕层的轴线方向铺设，并与轴向温度补偿光栅光纤的另一端固定连接。环向温度补偿光栅光纤的一端与轴向温度补偿光栅光纤的另一端固定连接，所述环向温度补偿光栅光纤的另一端沿着缠绕层的轴线方向从缠绕层外壁铺设后再沿着缠绕层外壁进行环向铺设后继续沿着缠绕层的轴线方向铺设，并与轴向应变光栅光纤的一端固定连接。轴向应变光栅光纤、轴向温度补偿光栅光纤与环向应变光栅光纤、环向温度补偿光栅光纤的光栅相垂直。四个光栅的连接类似电路图中的全桥状。
在本实施例中，所述四个光栅光纤的光栅1、2、3、4均用密封的铝箔胶带包裹(厚度为0.1mm的铝箔胶带兼具紧贴在管上的韧性和保护光纤不受固化应变影响的刚度)，用于检测温度引起的应变。环向应变光栅光纤及环向温度补偿光栅光纤的换向处均与相邻光栅光纤粘结固定，如如图3所示，阴影处为粘结位置。所述粘结固定所使用的胶水为弹性硅胶。所述弹性硅胶为卡夫特K-5204K型导热硅胶。该胶富有弹性，不易损坏光栅，同时可以在测量环向应变时起到绷直固定作用。
本实施例选用的四个光栅光纤的型号及性能参数如下：
表1
Figure BDA0002407306780000031
步骤四、进行剩余层数的缠绕操作；其中，在进行剩余层数的缠绕操作之前还可以包括对缠绕层外表面进行加热升温使其接近凝胶为止的步骤。
步骤五、缠绕结束后进行升温固化，在固化过程完成后，将光栅光纤与光栅解调仪跳线熔接，每根熔接好的光栅连接在光栅解调仪上，读取初始波长值并做好标记；注意事项：剥线钳尽量不伤到光纤，使用和光栅光纤相匹配的光栅跳线。
在本实施例中，加热升温至120-150℃固化。
步骤六、然后冷却至预定温度，记录冷却终点的四个光栅的波长值；在本实施例中，冷却终点为30℃。
步骤七、利用下述公式分别计算复合材料缠绕管的轴向和环向的残余应变值，其中ΔλA为应变光栅的波长变化，ΔλB为其对应的温度补偿光栅的波长变化，Kε为应变常数；
Figure BDA0002407306780000041
实施例1实验结果记录如表2所示：
表2
Figure BDA0002407306780000042
其中，轴向应变光栅记录波长为z，轴向温度补偿光栅波长为zt，环向应变光栅记录波长为h，环向温度补偿光栅波长为ht。
为了验证应变值所对应的温度为冷却终点30摄氏度的准确性，我们进行了验证，验证过程如下：
ΔλA＝Kεε+KTΔT (1)
ΔλB＝KTΔT (2)
其中，Kε和尺KT分别表示应变和温度灵敏度常数。已知Kε＝1.2pm/με、KT＝10pm/℃，对于温度补偿光栅，由于其被封装在铝箔胶带中，不受应变的影响，因此方程可以简化为仅仅与温度有关的式子。计算结果如表3所示。从表3可以看出，缠绕管的实际温度与我们设定的冷却终点30摄氏度相差不大。
表3
应力方向参数 温度 应变
轴向 30.132 -9.8535E-04mm
环向 27.396 -1.9708E-04mm
接下来进行正确性验证，验证方法采用ANSYS软件模拟实况，对比结果验证正确性。
材料基本参数如下：
表4
ρ(kg/m3) 1570 比热c(J/kg℃) 1300
E<sub>1</sub>(GPa) 20 E<sub>2</sub>(GPa) 1.6
ν<sub>12</sub> 0.3 ν<sub>23</sub> 0.45
G<sub>12</sub>(GPa) 4 G<sub>23</sub>(GPa) 3.5
x导热系数(W/m℃) 0.851 y导热系数(W/m℃) 0.658
α<sub>1</sub>(℃^-1) 3.11E-05 α<sub>2</sub>(℃^-1) 2.52E-05
考虑固化收缩：为简化计算，三项收缩率均设置为0.73mm-1。
树脂固化模型可用自催化模型：
Figure BDA0002407306780000051
树脂固化工艺由DSC测试获得：Ti 79.6℃、Tf 125℃、Tp 163℃，固化工艺选择为80℃/2h+120℃/2h+160/4h，实际温度曲线如图4。
仿真结果如图5，轴向应变为-8.43E-4，环向应变为-1.96E-4，实测值比计算值分别偏差16.8％和0.5％，实验值和计算值偏差不大，说明实验准确性较高。
实施例2
本实施例与实施例1大致相同，不同之处如下：
角度：±60°；长度：300mm；线型：螺旋缠绕；层数：50；预埋层:24-25
表5
中心波长 3dB带宽(db) 边模抑制比 反射率 光纤类型
1551.38625 0.24 25 95 SMF-28Ultra G.657.A1
1551.11481 0.24 25 95 SMF-28Ultra G.657.A1
1550.86066 0.24 25 95 SMF-28Ultra G.657.A1
1551.1604 0.24 25 95 SMF-28Ultra G.657.A1
表6
Figure BDA0002407306780000052
Figure BDA0002407306780000061
验证应变值所对应的温度为冷却终点30摄氏度的准确性的结果如表7：从表7可以看出，缠绕管的实际温度与我们设定的冷却终点30摄氏度相差不大。
表7
方向参数 温度 应变
轴向 30.12 -3.0773E-04mm
环向 29.6 -1.3898E-04mm
正确性验证，实施例2与实施例1区别在于，铺层角度由±45°改为±60°，仿真模型不变，结果如图6，轴向应变为-2.888E-4，环向应变为-1.2202E-4，实测值比计算值分别偏差6.55％和13.89％，实验值和计算值偏差不大，再次说明实验准确性较高。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一个芯模；
在所述芯模上螺旋缠绕多层复合纤维材料；
当缠绕至预定层数的中层后，主轴旋转停止，分别将沿缠绕层的轴向方向设置的轴向应变光栅光纤和轴向温度补偿光栅光纤以及沿缠绕层的环向方向设置的环向应变光栅光纤及环向温度补偿光栅光纤均固定在缠绕层顶部的外壁，四个光栅光纤的光栅区分别处于平行四边形的四个边上；
对缠绕层外表面进行加热升温使其接近凝胶为止；
进行剩余层数的缠绕操作；
缠绕结束后进行升温固化，固化过程完成后，记录四个光栅的初始波长值；
然后冷却至预定温度，记录冷却终点的四个光栅的波长值；
利用下述公式分别计算复合材料缠绕管的轴向和环向的残余应变值，其中ΔλA为应变光栅的波长变化，ΔλB为其对应的温度补偿光栅的波长变化，Kε为应变常数；
Figure FDA0002914338160000011
2.如权利要求1所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，加热升温至120-150℃。
3.如权利要求1所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，所述轴向应变光栅光纤、轴向温度补偿光栅光纤与环向应变光栅光纤、环向温度补偿光栅光纤的光栅区相垂直。
4.如权利要求1所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，所述环向应变光栅光纤的一端与轴向应变光栅光纤的一端连接，所述环向应变光栅光纤的另一端沿着缠绕层的轴线方向从缠绕层外壁铺设后再沿着缠绕层外壁进行环向铺设后继续沿着缠绕层的轴线方向铺设，并与轴向温度补偿光栅光纤的另一端固定连接。
5.如权利要求1所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，所述环向温度补偿光栅光纤的一端与轴向温度补偿光栅光纤的另一端固定连接，所述环向温度补偿光栅光纤的另一端沿着缠绕层的轴线方向从缠绕层外壁铺设后再沿着缠绕层外壁进行环向铺设后继续沿着缠绕层的轴线方向铺设，并与轴向应变光栅光纤的一端固定连接。
6.如权利要求1所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，所述四个光栅光纤的栅区均用密封的铝箔胶带包裹。
7.如权利要求2或3所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，所述环向应变光栅光纤及环向温度补偿光栅光纤的换向处均与相邻光栅光纤粘结固定。
8.如权利要求7所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，所述粘结固定所使用的胶水为弹性硅胶。
9.如权利要求8所述的基于光栅传感器的复合材料缠绕管残余应变的测试方法，其特征在于，所述弹性硅胶为卡夫特K-5204K型导热硅胶。
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