CN111398094B - 一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法及系统，用于预浸料层间黏性物理量的测定，该黏性测试系统包括万能试验机和剥离装置，所述剥离装置搭载于万能试验机上使用，所述剥离装置包括底座、安装拆卸机构、剥离定位机构和旋转机构；该黏性测试方法主要包括以下步骤：S10：定长备料；S20：缠绕试件；S30：安装定位；S40：剥离测量；S50：计算分析。本发明通过采用分段式测量的方法，并通过差值计算获得预浸料黏性性能的力学参数，可定量且准确地测定表征预浸料干法缠绕时层间黏性的物理量，且排除了预浸料的折弯刚度因素、拉动模具旋转施加的旋转阻力等对测量结果产生的不利影响，提高了测量结果的准确性。

Description

一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法及系统

技术领域

本发明涉及材料性能测试技术领域，特别是涉及一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法及系统。

背景技术

预浸料黏性是指在较短的接触时间与接触压力下，预浸料与其他物件表面所形成一种不完全的粘结特性，其作为决定预浸料是否适合贴合使用要求的关键因素。在复合材料干法缠绕成型工艺中，预浸料在一定张力作用下逐层粘贴在模具表面上，要求预浸料在一个合理的黏性范围，当黏性不足时，容易产生滑移、架桥等铺放缺陷；而黏性过大时，则不利于铺层有误时调整重铺，也不利于预浸料与背衬纸剥离，且会给预浸料的输送带来困难。

因此，准确地测定出用于表征预浸料黏性的物理量是提高干法缠绕质量的前提之一，但由于缺乏准确有效且定量的测定方法，导致人们在描述干法缠绕预浸料的黏性时，通常只根据经验评估，或者利用一些传统方法进行定性测量，比如：(1)滚球法：把规定尺寸和质量的塑料小球放在贴有预浸料的45°斜坡上，让小球向下滚动，通过小球的滚动情况究预浸料的黏性；(2)撕裂法：把两片预浸料贴合在一起，通过施加压力而后撕裂，以规定负荷下两片预浸料完全撕裂分离的时间作为表征其黏性的指标；(3)粘贴分离法：将两片规定尺寸的预浸料试片，依次粘贴在基板上，于规定温度和湿度下，将基板垂直放置30分钟，如果两片预浸料不彼此分离，即认为粘性合格。但这些方法都不适用于表征干法缠绕在曲面上的层间粘结性。

此外，由于预浸料本身特性所限，导致传统测量装置难以消除预浸料自身弯曲刚度对测试结果造成的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法及系统，可定量且准确地测定表征预浸料干法缠绕时层间黏性的物理量，并能够消除预浸料自身弯曲刚度对测试结果造成的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，用于预浸料层间黏性物理量的测定，包括万能试验机和剥离装置，所述剥离装置搭载于万能试验机上使用，所述剥离装置包括底座、安装拆卸机构、剥离定位机构和旋转机构；

所述底座横向固定于万能试验机的下支座顶部；

所述安装拆卸机构设置于底座的顶部，用于旋转机构的安装和拆卸；

所述旋转机构包括转动轴和固定于转动轴中部的环向模具，用于预浸料试样的缠绕和剥离；

所述剥离定位机构包括U形结构的龙门架和转动安装于龙门架上的剥离轮毂，用于预浸料试样剥离过程的导向。

优选的，所述安装拆卸机构包括直线导轨、滑块、移动垫块、固定垫块、移动调心轴承和固定调心轴承；

所述直线导轨固定安装于底座的顶部，所述滑块滑动安装于直线导轨的顶部，所述移动垫块固定安装于滑块的顶部，所述移动调心轴承安装于移动垫块的顶部；

所述固定垫块位于直线导轨的一端部并固定安装于底座上，所述固定调心轴承安装于固定垫块的顶部。

优选的，所述转动轴的两端分别安装于移动调心轴承和固定调心轴承内，且移动调心轴承和固定调心轴承在环向模具的两侧对称设置。

优选的，所述滑块上设置有锁紧螺钉，用于滑块在直线导轨上的位置固定。

优选的，所述剥离轮毂位于环向模具的上方，且剥离轮毂轴线与环向模具轴线的水平间距与剥离轮毂的半径值R相等，剥离轮毂圆周面与环向模具圆周面的最小距离与预浸料试样的厚度相等。

本发明还提供了一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法，基于上述的用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，主要包括以下步骤：

S10：定长备料：将干法缠绕预浸料沿纤维方向依次选取第一缠绕区的长度为L、第二测试区的长度为L2、第一测试区的长度为L1和夹持区的长度为M，去除第一缠绕区的预浸料背衬纸，保留第二测试区、第一测试区和夹持区的预浸料背衬纸；

S20：缠绕试件：对预浸料试样施加一定张力和温度，以设定的速率从第一缠绕区开始缠绕使其背面粘贴至旋转机构的环向模具圆周面上；

S30：安装定位：将带有预浸料试件的旋转机构安装于安装拆卸机构上，调整旋转机构的位置，使预浸料试件位于测试位置，将预浸料试件的夹持区绕过剥离轮毂并夹持在万能试验机的夹头上；

S40：剥离测量：通过万能试验机的夹头对预浸料试样的夹持区一端施加一定剥离拉力，带动环向模具旋转使预浸料试样连续均匀地从环向模具上剥离，并获取第一测试区长度段内的剥离力P1和第二测试区长度段内的剥离力P2；

S50：计算分析：对获取的实验数据采用相应的公式计算表征预浸料黏性的物理量，分析预浸料试样的黏性性能。

优选的，在步骤S10中，第一缠绕区的长度L≥C，第二测试区的长度L2＝C，其中C为环向模具(242)的周长，C＝2πR，R为环向模具(242)的半径。

优选的，在步骤S10中，第一缠绕区的长度L＝2C，第二测试区的长度L2＝C，第一测试区的长度L1＝(1/4)C，夹持区的长度M＝(1/4)C，其中C为环向模具的周长，C＝2πR，R为环向模具的半径。

优选的，在步骤S50中，采用公式F1＝(P2-P1)/B计算表征预浸料黏性的物理量，其中B为预浸料试样的宽度。

优选的，步骤S20、步骤S30和步骤S40在相同的环境条件下进行操作。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过采用分段式测量的方法，并通过差值计算获得预浸料黏性性能的力学参数，可定量且准确地测定表征预浸料干法缠绕时层间黏性的物理量，且消除了剥离轮毂与预浸料间的黏性力误差，排除了预浸料的折弯刚度因素、拉动模具旋转施加的旋转阻力等对测量结果产生的不利影响，提高了测量结果的准确性；

2.通过在底座上设置间距可调的调心轴承实现不同长度的旋转机构的安装和拆卸，以适应不同宽度尺寸的预浸料的黏性性能测量需要，增大了适用范围，提高了使用的灵活性；

3.通过设置与系统相切的剥离轮毂，使得预浸料剥离点稳定处于试验机夹头正下方，实现剥离力的稳定测量，提高测量结果的准确性；

4.本发明可直观、高效地测量干法缠绕预浸料的层间黏性，对不同缠绕条件的工艺优化可提供技术参考。

附图说明

图1为本发明的用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统的立体结构示意图；

图2为本发明的用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统的侧视结构示意图；

图3为本发明的用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法的流程示意图；

图4为本发明的预浸料备料试样结构示意图；

图5为本发明的预浸料试件的结构示意图。

图中：1万能试验机、10下支座、11夹头、2剥离装置、21底座、22安装拆卸机构、221直线导轨、222滑块、223移动垫块、224固定垫块、225移动调心轴承、226固定调心轴承、23剥离定位机构、231龙门架、232剥离轮毂、24旋转机构、241转动轴、242环向模具、3预浸料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，用于预浸料3层间黏性物理量的测定，包括万能试验机1和剥离装置2，剥离装置2搭载于万能试验机1上使用。万能试验机1为现有市售设备，此处不作详细赘述。

剥离装置2包括底座21、安装拆卸机构22、剥离定位机构23和旋转机构24。

底座21通过内嵌式螺钉横向固定于万能试验机1的下支座10顶部的安装盘螺栓孔上。安装拆卸机构22设置于底座21的顶部，用于旋转机构24的安装和拆卸。安装拆卸机构22包括直线导轨221、滑块222、移动垫块223、固定垫块224、移动调心轴承225和固定调心轴承226。

直线导轨221为平行设置的两根，并沿底座21的长度方向通过螺栓连接固定安装于底座21的顶部。滑块222与导轨221配套设置，滑动安装于直线导轨221的顶部。移动垫块223通过螺栓连接固定安装于两个滑块222的顶部，移动调心轴承225通过轴承座螺栓连接安装于移动垫块224的顶部。固定垫块224位于直线导轨221的一端部并固定安装于底座21上，固定调心轴承226通过轴承座螺栓连接安装于固定垫块224的顶部。固定垫块224的顶面与移动垫块224的顶面位于同一水平面内，使固定调心轴承226与移动调心轴承225同轴设置。

通过滑动调节滑块222在直线导轨221上的位置，可调整固定调心轴承226与移动调心轴承225之间的距离，以适应不同宽度尺寸的预浸料的黏性性能测量需要，增大了适用范围，提高了使用的灵活性。优选的，滑块222上设置有锁紧螺钉(图中未示出)，通过锁紧螺钉端部与直线导轨221表面的配合，实现滑块222在直线导轨221上的位置固定。

旋转机构24包括转动轴241和固定于转动轴241中部的环向模具242，用于预浸料3试样的缠绕和剥离。环向模具242通过螺栓连接或焊接等任意方式固定于转动轴241上，本实施例中，环向模具242与转动轴241为一体结构，即旋转机构24为中部设置轴肩的轴件。

其中，转动轴241的两端分别安装于移动调心轴承225和固定调心轴承226内，且移动调心轴承225和固定调心轴承226在环向模具242的两侧对称设置，以使旋转机构24在轴承上旋转时受力均衡。转动轴241的两端与调心轴承过盈配合并通过锁紧螺母固定。由于预浸料试件制备过程中，需要将旋转机构安装在缠绕设备上进行预浸料的缠绕且轴向较长，将固定调心轴承226与移动调心轴承225设置为间距可调，亦可便于旋转机构24的安装与拆卸，同时使旋转机构24两端的支撑点距离更小，保证旋转机构24旋转过程的平稳性。

剥离定位机构23包括U形结构的龙门架231和转动安装于龙门架231上的剥离轮毂232，用于预浸料3试样剥离过程的导向。剥离轮毂232为单边内嵌轴承式滚筒结构，其中心轴通过单边螺纹安装在U形龙门架231上。

优选的，剥离轮毂232位于环向模具242的上方，且剥离轮毂232轴线与环向模具242轴线的水平间距与剥离轮毂232的半径值R相等，剥离轮毂232圆周面与环向模具242圆周面的最小距离与预浸料3试样的厚度相等，以使在预浸料试件的剥离测量过程中预浸料3的剥离点稳定地处于万能试验机1的夹头11正下方，保证测量过程的稳定性和测量结果的准确性。

请参阅图3，一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法，基于上述的用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，主要包括以下步骤：

S10：定长备料：将干法缠绕预浸料沿纤维方向依次选取第一缠绕区(记为Area-W)的长度为L、第二测试区(记为Area-T2)的长度为L2、第一测试区(记为Area-T1)的长度为L1和夹持区(记为Area-H)的长度为M，去除第一缠绕区的预浸料背衬纸，保留第二测试区、第一测试区和夹持区的预浸料背衬纸。预浸料试样的备料尺寸结构示意图如图4所示。

优选的，第一缠绕区的长度L≥C，第二测试区的长度L2＝C，其中C为环向模具242的周长，C＝2πR，R为环向模具242的半径，使得第一缠绕区的预浸料表面与环向模具242的圆周面粘合，且能够将环向模具242的圆周面完全覆盖，从而使得第二测试区的内层与第一缠绕区的外层粘合，而不会与环向模具242的表面或背衬纸有接触，可有效保证第二测试区测得的数据为预浸料的层间黏性。本实施例中，采用的具体参数为：第一缠绕区的长度L＝2C，第二测试区的长度L2＝C，第一测试区的长度L1＝1/4C，夹持区的长度M＝1/4C，其中C为环向模具242的周长，C＝2πR，R为环向模具242的半径。

S20：缠绕试件：对预浸料试样施加一定张力和温度，以设定的速率从第一缠绕区开始缠绕使其背面粘贴至旋转机构24的环向模具242圆周面上。

将旋转机构24安装于干法缠绕设备上，通过干法缠绕设备驱动旋转机构24以一定的转速匀速转动，通过干法缠绕设备对制备好的预浸料试样施加一定的缠绕张力和缠绕温度，将预浸料试样从第一缠绕区开始缠绕在环向模具242的圆周面上，并逐层贴合，形成预浸料试件。

S30：安装定位：将带有预浸料试件的旋转机构24安装于安装拆卸机构22上，调整旋转机构24的位置，使预浸料试件位于测试位置，将预浸料试件的夹持区绕过剥离轮毂232并夹持在万能试验机1的夹头11上。

具体地，通过对移动调心轴承225的左右移动调整移动调心轴承225与固定调心轴承226支架的距离，将旋转机构24安装在安装拆卸机构22上，并通过两个调心轴承上的锁紧螺母对旋转机构24的轴端进行固定。

S40：剥离测量：通过万能试验机1的夹头11对预浸料试样的夹持区一端施加一定剥离拉力，带动环向模具242旋转使预浸料试样连续均匀地从环向模具242上剥离，并获取第一测试区长度段内的剥离力P1和第二测试区长度段内的剥离力P2。

具体地，启动万能试验机1对预浸料试样的第一测试区施加稳定的向上剥离速度V，带动环向模具242旋转进行预浸料3的剥离。通过万能试验机1上自带的数据采集模块记录剥离过程中的位移-载荷曲线，在曲线中选取第一测试区和第二测试区对应的稳定部分载荷求其平均值，从而获取第一测试区剥离力P1及第二测试区剥离力P2。

优选的，步骤S20、步骤S30和步骤S40在相同的环境条件下进行操作，即缠绕步骤完成后应立刻进行安装定位和剥离步骤，且剥离区域和缠绕区域需要处于稳定且相同的空间内。因此，在完成安装定位步骤之前前剥离区域应已经处于稳定的环境温度和湿度，从而保证预浸料不会由于固化而产生测量误差。每组实验前剥离轮毂232的表面需要用酒精清洗并擦拭，可有效保证剥离轮毂232表面的光滑与清洁。

考虑到万能试验机1的测试精度，本实施例所用的万能试验机1量程应小于100N，测试样条宽度B不宜太小从而减小测试误差，增大实验的可操作性。本实施例中，万能试验机1的量程为50N，预浸料宽度B为10mm。

S50：计算分析：对获取的实验数据采用相应的公式计算表征预浸料黏性的物理量，分析预浸料试样的黏性性能。

采用公式F1＝(P2-P1)/B计算表征预浸料黏性的物理量，其中B为预浸料试样的宽度，并以计算出的物理量F1作为预浸料在干法缠绕时通常条件下的层间黏性参数。

下面详细说明本发明用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法的实验原理：

请参阅附图5，在测量干法缠绕预浸料层间黏性时，由于预浸料双面都有黏性，剥离过程中预浸料与剥离轮毂232相接触的一面会引入了黏性力的干扰因素，对实验目标力产生影响，因此在第一测试区L1和第二测试区L2保留背面衬纸，预浸料与背衬纸之间可认为是无黏性，用来排除预浸料与剥离轮毂232之间由于树脂粘合产生的黏性力。

第一测试区剥离力P1包含预浸料的折弯刚度因素和拉动模具旋转施加的旋转阻力。第二测试区与一测试区类似，依然保留着预浸料背面的背衬纸，因此预浸料和剥离轮毂232之间无粘性。由于第二测试区和内圈之间无背衬纸，此测试区域测试的剥离力P2包括预浸料的折弯刚度因素、拉动模具旋转施加的旋转阻力和预浸料层间黏性力。

利用两段测试区域的剥离力差值与剥离力包含因素差值，可以计算出排除干扰力后的用于表征预浸料层间黏性的物理量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，用于预浸料(3)层间黏性物理量的测定，包括万能试验机(1)和剥离装置(2)，所述剥离装置(2)搭载于万能试验机(1)上使用，其特征在于：所述剥离装置(2)包括底座(21)、安装拆卸机构(22)、剥离定位机构(23)和旋转机构(24)；

所述底座(21)横向固定于万能试验机(1)的下支座顶部；

所述安装拆卸机构(22)设置于底座(21)的顶部，用于旋转机构(24)的安装和拆卸；所述安装拆卸机构(22)包括直线导轨(221)、滑块(222)、移动垫块(223)、固定垫块(224)、移动调心轴承(225)和固定调心轴承(226)；所述直线导轨(221)固定安装于底座(21)的顶部，所述滑块(222)滑动安装于直线导轨(221)的顶部，所述移动垫块(223)固定安装于滑块(222)的顶部，所述移动调心轴承(225)安装于移动垫块(223)的顶部；所述固定垫块(224)位于直线导轨(221)的一端部并固定安装于底座(21)上，所述固定调心轴承(226)安装于固定垫块(224)的顶部；

所述旋转机构(24)包括转动轴(241)和固定于转动轴(241)中部的环向模具(242)，用于预浸料(3)试样的缠绕和剥离；

所述剥离定位机构(23)包括U形结构的龙门架(231)和转动安装于龙门架(231)上的剥离轮毂(232)，用于预浸料(3)试样剥离过程的导向。

2.根据权利要求1所述的一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，其特征在于：所述转动轴(241)的两端分别安装于移动调心轴承(225)和固定调心轴承(226)内，且移动调心轴承(225)和固定调心轴承(226)在环向模具(242)的两侧对称设置。

3.根据权利要求1所述的一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，其特征在于：所述滑块(222)上设置有锁紧螺钉，用于滑块(222)在直线导轨(221)上的位置固定。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，其特征在于：所述剥离轮毂(232)位于环向模具(242)的上方，且剥离轮毂(232)轴线与环向模具(242)轴线的水平间距与剥离轮毂(232)的半径值R相等，剥离轮毂(232)圆周面与环向模具(242)圆周面的最小距离与预浸料(3)试样的厚度相等。

5.一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法，基于权利要求1至4任意一项所述的用于干法缠绕预浸料的黏性测试系统，其特征在于：主要包括以下步骤：

S10：定长备料：将干法缠绕预浸料沿纤维方向依次选取第一缠绕区的长度为L、第二测试区的长度为L2、第一测试区的长度为L1和夹持区的长度为M，去除第一缠绕区的预浸料背衬纸，保留第二测试区、第一测试区和夹持区的预浸料背衬纸；

S20：缠绕试件：对预浸料试样施加一定张力和温度，以设定的速率从第一缠绕区开始缠绕使其背面粘贴至旋转机构(24)的环向模具(242)圆周面上；

S30：安装定位：将带有预浸料试件的旋转机构(24)安装于安装拆卸机构(22)上，调整旋转机构(24)的位置，使预浸料试件位于测试位置，将预浸料试件的夹持区绕过剥离轮毂(232)并夹持在万能试验机(1)的夹头(11)上；

S40：剥离测量：通过万能试验机(1)的夹头(11)对预浸料试样的夹持区一端施加一定剥离拉力，带动环向模具(242)旋转使预浸料试样连续均匀地从环向模具(242)上剥离，并获取第一测试区长度段内的剥离力P1和第二测试区长度段内的剥离力P2；

S50：计算分析：对获取的实验数据采用相应的公式计算表征预浸料黏性的物理量，分析预浸料试样的黏性性能。

6.根据权利要求5所述的一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法，其特征在于：在步骤S10中，第一缠绕区的长度L≥C，第二测试区的长度L2＝C，其中C为环向模具(242)的周长，C＝2πR，R为环向模具(242)的半径。

7.根据权利要求5或6所述的一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法，其特征在于：在步骤S10中，第一缠绕区的长度L＝2C，第二测试区的长度L2＝C，第一测试区的长度L1＝(1/4)C，夹持区的长度M＝(1/4)C，其中C为环向模具(242)的周长，C＝2πR，R为环向模具(242)的半径。

8.根据权利要求5所述的一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法，其特征在于：在步骤S50中，采用公式F1＝(P2-P1)/B计算表征预浸料黏性的物理量，其中B为预浸料试样的宽度。

9.根据权利要求5所述的一种用于干法缠绕预浸料的黏性测试方法，其特征在于：步骤S20、步骤S30和步骤S40在相同的环境条件下进行操作。

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