CN111366267B - 一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法及装置，方法包括：利用FBG传感器替换待测位置对应的纬纱中的部分纤维；拉动所述FBG传感器使其光栅段固定至待测位置；开始纺织送纱，使经纱包裹包含有FBG传感器的纬纱进而生成三维机织预制体；将所述三维机织预制体放入模具中进行合模，并将所述FBG传感器的光纤从模具中引出，根据所述FBG传感器的波长变化得到材料的温度变化。本发明可以对三维机织复合材料结构固化成型过程中的温度场及其演化历程进行实时监测。

Description

一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法及装置
技术领域
本发明涉及材料测试技术领域，具体而言，尤其涉及一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法及装置。
背景技术
三维机织复合材料除具有高比强度、高比模量，还具有传统层合复合材料所缺乏的抗分层、抗冲击等性能。但由于其组分相力学、热力学性能差异较大等各方面因素影响，易引起内部残余应力、应变，由于对于具有较大厚度的制件，在固化成型过程中极易出现受热不均匀、温度梯度等情况，从而导致三维机织复合材料出现成型变形，降低制件成型质量。因此需在成型过程中对三维机织复合材料内部温度场进行监测，获得温度分布及演化数据，以对模具、工艺制度进行优化调整，提高产品质量。
现有复合材料成型过程温度场测量主要采用热电偶及光纤布拉格光栅传感器(FBG)，其中热电偶尺寸较大，不易预埋在复合材料内部，且易受电场影响；FBG传感器脆弱易断，尤其在压、弯、剪载荷下极易发生破坏，现有技术将其放置在复合材料两层之间，因此仅能对层合复合材料进行监测。而三维机织复合材料通过纺织技术，将增强纤维束(碳纤维、玻璃纤维等)形成具有三维空间结构的预制体，再通过液体模塑成型工艺(LCM，如RTM，VARTM等)复合形成复合材料，具有一体化结构。现有技术难以实现对三维机织复合材料成型过程内部温度场的监测。
发明内容
根据上述提出的现有技术难以实现对三维机织复合材料成型过程内部温度场的监测问题，而提供一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法。本发明基于FBG传感器，结合三维纺织技术，可以实现传感器在三维机织复合材料中的预埋及温度场测量。
本发明采用的技术手段如下：
一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法，包括：利用FBG传感器替换待测位置对应的纬纱中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器后的总厚度与原纬纱厚度相当；拉动所述FBG传感器使其能够沿纬纱的延伸方向往复运动并最终将FBG传感器的光栅段固定至待测位置；开始纺织送纱使经纱包裹包含有FBG传感器的纬纱进而生成三维机织预制体；将所述三维机织预制体放入模具中进行合模，并将所述FBG传感器的光纤从模具中引出，根据所述FBG传感器的波长变化得到材料的温度变化。
本发明还提供一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测装置，用于执行上述的方法，包括：FBG传感器，所述FBG传感器替换三维机织预制体待测位置对应的纬纱中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器后的总厚度与原纬纱厚度相当，所述FBG传感器的光栅段固定至待测位置；光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪连接所述FBG传感器的光纤以采集成型过程中FBG传感器的波长变化；以及计算机，所述计算机用以分析和存储所述光纤光栅解调仪采集的数据。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明中在三维机织复合材料中埋入FBG传感器，不会对三维机织预制体造成破坏及损伤，对三维机织复合材料的力学性能几乎不产生影响。
本发明能够大大提高FBG传感器的强度，从而提高其埋入三维机织复合材料的存活率，从而降低试验监测成本。
本发明能够实现对三维机织复合材料成型过程中的温度场及其演化历程的监测，从而实时获得三维机织复合材料成型过程中的温度场梯度情况，并据此对复合材料工艺制度进行改进，以提高复合材料产品的成型质量及降低制造成本。
本发明埋入FBG传感器后，可将其一直保留在三维机织复合材料制件中工作，从而实现对制件服役期间的温度情况进行监测。
基于上述理由本发明可在材料测试领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明FBG传感器示意图。
图2为本发明FBG传感器在三维机织预制体中的预埋方式示意图。
图3为本发明三维机织复合材料成型过程应变监测装置结构图。
图中：1、光纤，2、聚酰亚胺涂层，3、钢管，4、光栅段，5、纬纱，6、FBG传感器，7、经纱，8、三维机织预制体，9、护纤管，10、光纤光栅解调仪，11、计算机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法，其特征在于，包括：
步骤1、利用FBG传感器6替换待测位置对应的纬纱5中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器6后的总厚度与原纬纱5厚度相当。
根据三维机织原理，纬纱结构较直，而不像经纱及其他纱线一样弯曲、缠绕，因此本发明将FBG传感器6埋入纬纱5中，并用纤维丝将其包裹，使得FBG传感器6受到纤维束保护，且降低了弯曲、剪切载荷的作用。
本发明中所用的FBG传感器6结构如图1所示，包括光纤1、聚酰亚胺涂层2、钢管3和光栅段4。其中光纤1为标准光纤(直径为125μm)，聚酰亚胺涂层2涂覆于光纤层外部，光栅段4长度4mm，中心波长1500nm-1600nm。光栅段4的一侧光纤被剪断，用聚酰亚胺剥线钳将光栅段的涂层剥除(或用火烧蚀光栅段，涂层变黑后用酒精擦拭干净)，用直径0.9mm的钢管3套入光栅段，并在钢管3的边缘处用硅橡胶密封。FBG传感器6外部用细钢管3进行封装，能够进一步提高了FBG传感器6的强度。
步骤2、将FGB传感器6与该纬纱5混合后，拉动所述FBG传感器使其能够沿纬纱5的延伸方向往复运动并最终将FBG传感器的光栅段固定至待测位置。则当纺织送纱时，FBG传感器6随该纬纱被经纱7包裹。
步骤3、开始纺织送纱使经纱7包裹包含有FBG传感器6的纬纱5进而生成三维机织预制体8。FBG传感器6在三维机织预制体8中的预埋方式如图2所示。
步骤4、将所述三维机织预制体8放入模具中进行合模，并将所述FBG传感器6的光纤从模具中引出，根据所述FBG传感器6的波长变化得到材料的温度变化，材料的温度变化根据以下计算获得：
Figure BDA0002435720770000041
其中，ΔT为温度变化，ΔλB为FBG传感器波长变化，λB为FBG传感器初始波长，KT为FBG传感器温度灵敏度系数。
具体地，将三维机织预制体8放入模具中，将其传感器的光纤从模具中引出，从光纤末端套上护纤管9以对光纤进行保护，再将光纤连接至光纤光栅解调仪10，若长度不够可在光纤和光纤光栅解调仪直接采用光纤跳线连接，最后将光纤光栅解调仪连接至计算机11，以对测量数据进行存储。对模具进行合模(若为真空辅助成型工艺，则将真空袋密封)，对模具抽真空，然后注射树脂，再按照树脂供应商提供的固化周期对模具进行加热及冷却，监测FBG传感器的波长变化。
当FBG传感器周围环境温度或应变变化时，其中心波长会发生变化，如下式：
Figure BDA0002435720770000042
其中，ΔλB为FBG传感器波长变化，λB为FBG传感器初始波长，Kε为FBG传感器应变灵敏度系数，KT为FBG传感器温度灵敏度系数，Δε为应变变化，ΔT为温度变化。
对于普遍使用的FBG传感器，其应变灵敏度系数为0.78，温度灵敏度系数为10.6℃-1，本发明中将FBG的一端剪断并封装在钢管中，使其光栅段不受机械载荷作用，波长仅随温度变化而变化，实现了机械影响及温度影响的解耦，则其所测得的温度变化为：
Figure BDA0002435720770000051
本发明还提供一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测装置，用于执行上述方法，包括：
FBG传感器6，所述FBG传感器6替换三维机织预制体8待测位置对应的纬纱5中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器6后的总厚度与原纬纱5厚度相当，所述FBG传感器6的光栅段4固定至待测位置。
光纤光栅解调仪10，所述光纤光栅解调仪10连接所述FBG传感器6的光纤以采集成型过程中FBG传感器6的波长变化。
以及计算机11，所述计算机11用以分析和存储所述光纤光栅解调仪10采集的数据。
实施例1
如图1-3所示，监测三维机织复合材料成型过程内部温度场的工作过程包括：
(1)选取若干标准光纤1直径(125μm)，外部涂有聚酰亚胺涂层2，光栅段4长度4mm，中心波长1500nm-1600nm的FBG传感器6，并将其光栅段某一边的光纤剪断，用聚酰亚胺剥线钳将光栅段的涂层剥除(或用火烧蚀光栅段，涂层变黑后用酒精擦拭干净)，用直径0.9mm的钢管3套入光栅段，并在边缘处用硅橡胶密封。
(2)在纤维束纺织之前，先确定待测位置所对应的纬纱5，抽取该纬纱中的部分纤维束，使剩下的纤维束加上FBG传感器后总厚度与原纬纱厚度相当，将FGB传感器与该纬纱混合后抽拉FBG传感器，使其光栅段对应到待测位置处，则当纺织送纱时，FBG传感器随该纬纱被经纱7包裹。
(3)将三维机织预制体8放入模具中，将其传感器的光纤从模具中引出，从光纤末端套上护纤管9以对光纤进行保护，再将光纤连接至光纤光栅解调仪10，若长度不够可在光纤和光纤光栅解调仪直接采用光纤跳线连接，最后将光纤光栅解调仪连接至电脑11，以对测量数据进行存储。
(4)对模具进行合模(若为真空辅助成型工艺，则将真空袋密封)，对模具抽真空，然后注射树脂，再按照树脂供应商提供的固化周期对模具进行加热及冷却，监测FBG传感器的波长变化，并根据FBG传感器波长变化、FBG传感器初始波长以及FBG传感器温度灵敏度系数计算温度变化。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法，其特征在于，包括：
利用FBG传感器替换待测位置对应的纬纱中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器后的总厚度与原纬纱厚度相当；
拉动所述FBG传感器使其能够沿纬纱的延伸方向往复运动并最终将FBG传感器的光栅段固定至待测位置；
开始纺织送纱使经纱包裹包含有FBG传感器的纬纱进而生成三维机织预制体；
将所述三维机织预制体放入模具中进行合模，并将所述FBG传感器的光纤从模具中引出，根据所述FBG传感器的波长变化得到材料的温度变化；
所述FBG传感器包括光纤、聚酰亚胺涂层、钢管和光栅段，其中，聚酰亚胺涂层涂覆于光纤层外部，光栅段的一侧光纤被剪断，用聚酰亚胺剥线钳将光栅段的涂层剥除后，用钢管套入光栅段，并在钢管的边缘处用硅橡胶密封。
2.根据权利要求1所述的三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法，其特征在于，所述材料的温度变化根据以下计算获得：
Figure FDA0003074410390000011
其中，ΔT为温度变化，ΔλB为FBG传感器波长变化，λB为FBG传感器初始波长，KT为FBG传感器温度灵敏度系数。
3.根据权利要求1所述的三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法，其特征在于，所述FBG传感器的光栅段的一侧光纤被剪除，剥除所述光栅段的涂层后，将其放置于钢管中，所述钢管的边缘处用硅橡胶密封。
4.根据权利要求3所述的三维机织复合材料成型过程内部温度场监测方法，其特征在于，所述FBG传感器的光栅段长度为4mm，中心波长为1500nm-1600nm；所述钢管直径为0.9mm。
5.根据权利要求1所述的三维机织复合材料成型过程内部温度场 监测方法，其特征在于，合模过程中还包括对模具进行真空处理。
6.一种三维机织复合材料成型过程内部温度场监测装置，用于执行权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
FBG传感器，所述FBG传感器替换三维机织预制体待测位置对应的纬纱中的部分纤维，使剩下的纤维束包裹FBG传感器后的总厚度与原纬纱厚度相当，所述FBG传感器的光栅段固定至待测位置；
光纤光栅解调仪，所述光纤光栅解调仪连接所述FBG传感器的光纤以采集成型过程中FBG传感器的波长变化；
以及计算机，所述计算机用以分析和存储所述光纤光栅解调仪采集的数据。
7.根据权利要求6所述的三维机织复合材料成型过程内部温度场监测装置，其特征在于，所述FBG传感器的光栅段的一侧光纤被剪除，剥除所述光栅段的涂层后，将其放置于钢管中，所述钢管的边缘处用硅橡胶密封。
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