CN114088541A - 一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置及其实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多孔材料弯曲变形测量领域，具体涉及一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置及实验方法，本发明为解决在分析多孔材料弯曲后变形特性过程中，对弯曲后的变形形状进行检测和分析存在的问题，所述载荷传动设备用于对多孔材料进行弯折，测量设备用于测量多孔材料弯折时的状态；所述测量设备设置在载荷传动设备的前方；所述载荷传动设备包括框架、荷载转动机构和荷载转动控制元件；所述荷载转动机构和荷载转动控制元件均设置在框架上，荷载转动控制元件的输出端与荷载转动机构连接，本发明设计了一种多孔材料弯曲变形测量装置，填补了测量多孔材料在面外弯曲载荷下的变形情况的技术空白，为判断材料变形特征，从而反馈生产制造领域提供了依据。

Description

一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置及其实验方法
技术领域
本发明涉及多孔材料弯曲变形测量领域，具体涉及一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置及其实验方法。
背景技术
在工程实际制造过程中，常采用轻质多孔材料作为夹芯结构的芯材来增大结构的抗弯性能和稳定性。这类多孔材料包括但不限于通孔泡沫材料、蜂窝材料和点阵材料等。但是对于具有复杂曲面的工程部件，例如飞机雷达罩、卫星天线反射面、飞机曲面舱段等，为了节省生产成本，实际制备过程中常采用平面多孔材料进行弯曲后贴附到曲面上的生产方式。
然而，这种制备方式会产生以下问题：(1)平面弯曲后的变形曲面和所需成型的曲面不相符，强行贴附会产生额外的内应力；(2)对于高精度的曲面结构，在特定环境下(例如大温差的高低温循环、长时间承受疲劳载荷等)会使得内部的应力释放，影响结构的精度，尤其对卫星天线反射面、太空望远镜镜面等高精密探测设备的结构产生极大的影响。
为了分析多孔材料弯曲后变形特性，就需要在大批量生产制造之前，对其弯曲后的变形形状进行检测和分析。此处存在几点问题：(1)测试所需载荷环境为面外弯曲载荷，所需测量结果是面外弯曲载荷条件下，不同弯曲程度对结构变形形状的影响关系，此类试验尚未拥有相应规范及装置设备；(2)轻质多孔材料多为透光的材质，与实体结构相比，面外变形不易直接获得。
发明内容
本发明专利的目的：本发明为了解决在分析多孔材料弯曲后变形特性过程中，对弯曲后的变形形状进行检测和分析存在的问题，提出一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置及其实验方法。
本发明是通过以下方案进行实现的：
一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，它包括载荷传动设备和测量设备；
所述载荷传动设备用于对多孔材料进行弯折，测量设备用于测量多孔材料弯折时的状态；
所述测量设备设置在载荷传动设备的前方；所述载荷传动设备包括框架、荷载转动机构和荷载转动控制元件；
所述荷载转动机构和荷载转动控制元件均设置在框架上，荷载转动控制元件的输出端与荷载转动机构连接，所述荷载转动机构用于对多孔材料进行弯折，荷载转动控制元件用于控制荷载转动机构进行工作。
进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，所述荷载转动控制元件为摇臂。
再进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，所述框架由型材制成。
进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，所述荷载转动机构包括第一转盘、第二转盘、第一转轴、第二转轴、第一夹持件和第二夹持件；
所述第一转轴和第二转轴均设置在框架上，第一转轴和第二转轴平行设置，第一转盘设置在第一转轴上，第二转盘设置在第二转轴上；第一转盘和第二转盘啮合设置，第一夹持件设置在第一转轴上，第二夹持件设置在第二转轴上，第一夹持件和第二夹持件对称设置。
再进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，所述第一转轴和第二转轴均为水平设置。
进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，第一转轴的每端通过一个第一连接件与框架连接，所述第一连接件与框架可拆解连接。
再进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，第二转轴的一端通过一个第一连接件与框架连接，第二转轴的另一端通过一个第二连接件与框架连接，所述第一连接件和第二连接件均与框架可拆解连接，荷载转动控制元件设置在第二连接件上，且荷载转动控制元件的输出端与第二转盘啮合设置。
进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，所述第一转盘和/或第二转盘上刻有角度标记。
再进一步地，一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，第二连接件上设有指针，所述指针朝向第二转盘的角度标记设置。
一种测量多孔材料弯曲变形的实验方法，具体包括以下步骤：
步骤一：测试材料处理；
选取高延伸率和低模量的聚合物薄膜，采用胶粘剂将聚合物薄膜与测试材料粘接在一起，并在聚合物薄膜外部喷涂散斑，直至聚合物薄膜不透光，散斑分布均匀且清晰；
步骤二：装夹测试材料；
将测试材料装夹在第一夹持件和第二夹持件之间；装夹时通过调整第一连接件和/或第二连接件的位置使实验装置适应测试材料的大小；
步骤三：驱动实验装置；
操控荷载转动控制元件转动，使转动控制元件每秒转动的角度相等，转动其使其带动第二转盘转动，第二转盘与第一转盘相对转动，第一夹持件和第二夹持件对测试材料进行弯折，采用肉眼观测和/或机器识别的手段实时记录第二转盘和/或第一转盘的旋转角度，从而获得测量时间与弯曲程度的关系；
步骤四：
运用测量设备的双镜头对喷有散斑的测试材料进行监测和分析，从而获得变形曲面与时间得关系。
有益效果：
本发明设计了一种多孔材料弯曲变形测量装置，填补了测量多孔材料在面外弯曲载荷下的变形情况的技术空白，为判断材料变形特征，从而反馈生产制造领域提供了依据。
本发明发明了一种试验测量装置，对多孔材料在面外弯曲载荷的作用下的变形形状进行检测，能够获得不同弯曲程度对结构变形形状的影响关系，协助生产过程中对所需材料的性能选择。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的载荷传动设备示意图；
图3为本发明的测试结果图：多孔材料经过面外弯曲后的变形曲面：
图3-1为本发明的面内泊松比为正的多孔材料的面外弯曲变形曲面：一种马鞍状的变形曲面；
图3-2为本发明的面内泊松比为零的多孔材料的面外弯曲变形曲面：一种柱状的变形曲面；
图3-3为本发明的面内泊松比为负的多孔材料的面外弯曲变形曲面：一种同向曲率的变形曲面；
图4为本发明的针对不同面内力学性能的蜂窝材料进行面外弯曲实验所得的变形结果图，背景是实验所得Z向位移云图，虚线是理论所得的Z向位移等高线：
图4-1为本发明的实验试件-直壁六边形蜂窝；
图4-2为本发明的直壁六边形蜂窝经W向弯曲的变形云图；
图4-3为本发明的直壁六边形蜂窝经L向弯曲的变形云图；
图4-4为本发明的实验试件-小曲率曲壁六边形蜂窝；
图4-5为本发明的小曲率曲壁六边形蜂窝经W向弯曲的变形云图；
图4-6为本发明的小曲率曲壁六边形蜂窝经L向弯曲的变形云图；
图4-7为本发明的实验试件大曲率曲壁六边形蜂窝；
图4-8为本发明的大曲率曲壁六边形蜂窝经W向弯曲的变形云图；
图4-9为本发明的大曲率曲壁六边形蜂窝经L向弯曲的变形云图；
图5为本发明的针对不同面内力学性能的负泊松比蜂窝材料进行面外弯曲实验所得的变形结果图，背景是实验所得Z向位移云图，虚线是理论所得的Z向位移等高线：
图5-1为本发明的实验试件-直壁内凹六边形蜂窝；
图5-2为本发明的直壁内凹六边形蜂窝经W向弯曲的变形云图；
图5-3为本发明的直壁内凹六边形蜂窝经L向弯曲的变形云图；
图5-4为本发明的实验试件-曲壁内凹六边形蜂窝；
图5-5为本发明的曲壁内凹六边形蜂窝经W向弯曲的变形云图；
图5-6为本发明的曲壁内凹六边形蜂窝经L向弯曲的变形云图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
具体实施方式一：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，载荷传动设备2和测量设备1；
所述测量设备1设置在载荷传动设备2的前方；
所述载荷传动设备2用于对多孔材料进行弯折，测量设备1用于测量多孔材料弯折时的状态；
所述载荷传动设备2包括框架3、荷载转动机构4和荷载转动控制元件5；
所述荷载转动机构4和荷载转动控制元件5均设置在框架3上，荷载转动控制元件5的输出端与荷载转动机构4连接，所述荷载转动机构4用于对多孔材料进行弯折，荷载转动控制元件5用于控制荷载转动机构4进行工作。
具体实施方式二：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述荷载转动控制元件5为摇臂。
本实施方式中：荷载转动控制元件为摇臂，可选择地，可以使用电机驱动，本方案中，荷载转动元件每秒转动的角度相等。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述框架3由型材制成。
本实施方式中，框架由型材制成，荷载转动机构可根据需要在型材上调整位置。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述荷载转动机构4包括第一转盘41、第二转盘42、第一转轴43、第二转轴44、第一夹持件45和第二夹持件46；
所述第一转轴43和第二转轴44均设置在框架3上，第一转轴43和第二转轴44平行设置，第一转盘41设置在第一转轴43上，第二转盘42设置在第二转轴44上；第一转盘41和第二转盘42啮合设置，第一夹持件45设置在第一转轴43上，第二夹持件46设置在第二转轴42上，第一夹持件45和第二夹持件46对称设置。
本实施方式中：第一转盘与第二转盘啮合，可以进行相对转动，初始状态下，第一夹持件和第二夹持件对称设置，且设置在同一个水平面上，用于装夹测试材料。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述第一转轴43和第二转轴44均为水平设置。
本实施方式中：第一转轴和第二转轴平行且水平设置，保证对测试材料施加的力方向相对。
其他实施方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：第一转轴43的每端通过一个第一连接件与框架3连接，所述第一连接件与框架3可拆解连接。
本实施方式中：第一连接件与框架可拆卸连接，便于进行位置调整。
其他实施方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：第二转轴44的一端通过一个第一连接件与框架3连接，第二转轴44的另一端通过一个第二连接件与框架3连接，所述第一连接件和第二连接件均与框架3可拆解连接，荷载转动控制元件5设置在第二连接件上，且荷载转动控制元件5的输出端与第二转盘42啮合设置。
本实施方式中：第二连接件与框架可拆卸连接，便于进行位置调整。
其他实施方式与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述第一转盘41和/或第二转盘42上刻有角度标记。
本实施方式中：刻度标记用于记录第一转盘和/或第二转盘旋转的角度。
其他实施方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：第二连接件上设有指针，所述指针朝向第二转盘42的角度标记设置。
本实施方式中：指针是为了观察第一转盘和/或第二转盘旋转的角度时更精准。
其他实施方式与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：一种测量多孔材料弯曲变形的实验方法，具体包括以下步骤：
步骤一：测试材料处理；
选取高延伸率和低模量的聚合物薄膜，采用胶粘剂将聚合物薄膜与测试材料粘接在一起，并在聚合物薄膜外部喷涂散斑，直至聚合物薄膜不透光，散斑分布均匀且清晰；
步骤二：装夹测试材料；
将测试材料装夹在第一夹持件45和第二夹持件46之间；装夹时通过调整第一连接件和/或第二连接件的位置使实验装置适应测试材料的大小；
步骤三：驱动实验装置；
操控荷载转动控制元件5转动，使转动控制元件5每秒转动的角度相等，转动其使其带动第二转盘42转动，第二转盘42与第一转盘41相对转动，第一夹持件45和第二夹持件46对测试材料进行弯折，采用肉眼观测和/或机器识别的手段实时记录第二转盘42和/或第一转盘41的旋转角度，从而获得测量时间与弯曲程度的关系；
步骤四：
运用测量设备1的双镜头对喷有散斑的测试材料进行监测和分析，从而获得变形曲面与时间得关系。
本实施方式中：选取极薄的具有高延伸率和低模量的聚合物薄膜，例如乳胶膜，厚度可为100～300μm，延伸率300％～700％，弹性模量0.1～1MPa，采用胶粘剂将其与测试材料粘接在一起，在其表面喷涂散斑，最终达到不透光、散斑分布均匀且清晰的测试要求。
工作原理：
(1)测量设备：激光位移散斑测试系统，采用双镜头对喷有散斑的试件进行监测和分析，从而获得变形曲面与时间得关系；
(2)载荷传动设备：机械/电动/手动等传动设备带动具有等直径的齿轮部件进行异向旋转，从而带动两轴进行相反方向的旋转。将试件通过夹持/粘接等手段固定与旋转轴上，随着传动装置的运转，试件也将被施加面内弯曲载荷。齿轮上刻有相应的角度，机架上有固定的指针，齿轮旋转后指针不动，采用肉眼观测/机器识别等手段能够时时记录测量时间与弯曲程度的关系；
(3)测试试件：以蜂窝结构为例，测试材料由于透光，并不能采用传统方法，直接进行散斑喷涂和测量，测试需要先对试件进行一定的处理。选取极薄的具有高延伸率和低模量的聚合物薄膜，例如乳胶膜，厚度可为100～300μm，采用胶粘剂将其与测试材料粘接在一起，在其表面喷涂散斑，最终达到不透光、散斑分布均匀且清晰的测试要求。
(4)结果分析：测试后结合激光位移散斑测试系统输出的时间-变形关系以及在载荷传动设备上记录的时间-弯曲程度的结果，就能获得弯曲程度-变形形状的联系关系。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：载荷传动设备(2)和测量设备(1)；
所述测量设备(1)设置在载荷传动设备(2)的前方；
所述载荷传动设备(2)用于对多孔材料进行弯折，测量设备(1)用于测量多孔材料弯折时的状态；
所述载荷传动设备(2)包括框架(3)、荷载转动机构(4)和荷载转动控制元件(5)；
所述荷载转动机构(4)和荷载转动控制元件(5)均设置在框架(3)上，荷载转动控制元件(5)的输出端与荷载转动机构(4)连接，所述荷载转动机构(4)用于对多孔材料进行弯折，荷载转动控制元件(5)用于控制荷载转动机构(4)进行工作。
2.根据权利要求1所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述荷载转动控制元件(5)为摇臂。
3.根据权利要求1所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述框架(3)由型材制成。
4.根据权利要求1所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述荷载转动机构(4)包括第一转盘(41)、第二转盘(42)、第一转轴(43)、第二转轴(44)、第一夹持件(45)和第二夹持件(46)；
所述第一转轴(43)和第二转轴(44)均设置在框架(3)上，第一转轴(43)和第二转轴(44)平行设置，第一转盘(41)设置在第一转轴(43)上，第二转盘(42)设置在第二转轴(44)上；第一转盘(41)和第二转盘(42)啮合设置，第一夹持件(45)设置在第一转轴(43)上，第二夹持件(46)设置在第二转轴(42)上，第一夹持件(45)和第二夹持件(46)对称设置。
5.根据权利要求4所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述第一转轴(43)和第二转轴(44)均为水平设置。
6.根据权利要求5所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：第一转轴(43)的每端通过一个第一连接件与框架(3)连接，所述第一连接件与框架(3)可拆解连接。
7.根据权利要求6所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：第二转轴(44)的一端通过一个第一连接件与框架(3)连接，第二转轴(44)的另一端通过一个第二连接件与框架(3)连接，所述第一连接件和第二连接件均与框架(3)可拆解连接，荷载转动控制元件(5)设置在第二连接件上，且荷载转动控制元件(5)的输出端与第二转盘(42)啮合设置。
8.根据权利要求7所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：所述第一转盘(41)和/或第二转盘(42)上刻有角度标记。
9.根据权利要求8所述的一种测量多孔材料弯曲变形的实验装置，其特征在于：第二连接件上设有指针，所述指针朝向第二转盘(42)的角度标记设置。
10.一种测量多孔材料弯曲变形的实验方法，其特征在于：使用任意权利要求1-9所述的实验装置实施本实验方法，具体包括以下步骤：
步骤一：测试材料处理；
选取高延伸率和低模量的聚合物薄膜，采用胶粘剂将聚合物薄膜与测试材料粘接在一起，并在聚合物薄膜外部喷涂散斑，直至聚合物薄膜不透光，散斑分布均匀且清晰；
步骤二：装夹测试材料；
将测试材料装夹在第一夹持件(45)和第二夹持件(46)之间；装夹时通过调整第一连接件和/或第二连接件的位置使实验装置适应测试材料的大小，并使聚合物薄膜朝向测量设备(1)设置；
步骤三：驱动实验装置；
操控荷载转动控制元件(5)转动，使转动控制元件(5)每秒转动的角度相等，转动其使其带动第二转盘(42)转动，第二转盘(42)与第一转盘(41)相对转动，第一夹持件(45)和第二夹持件(46)对测试材料进行弯折，采用肉眼观测和/或机器识别的手段实时记录第二转盘(42)和/或第一转盘(41)的旋转角度，从而获得测量时间与弯曲程度的关系；
步骤四：
运用测量设备(1)的双镜头对喷有散斑的测试材料进行监测和分析，从而获得变形曲面与时间得关系。
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