CN114112656B - 点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法和装置 - Google Patents

点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法和装置，包括：激光位移计、固定工装、夹持工装、数据采集设备、计算机、载荷加载装置。所述点阵结构测试样件一端通过夹持工装安装在固定工装上，所述载荷加载装置在点阵结构测试样件另外一端(即自由端)进行载荷加载，激光位移计位于点阵结构测试样件自由端的上方，所述激光位移计经过数据采集设备与计算机数据连接。本发明直接对点阵结构测试样件进行试验及测试，拟合得到其等效弹性模量，解决了理论推导及数值仿真方法中对点阵的构型以及胞元的结构数据的准确要求的问题，解决了生产出来的产品与真实结构的误差问题。

Description

点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法和装置
技术领域
本发明涉及点阵夹层材料力学性能试验领域，具体地，涉及一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法和装置。尤其是涉及点阵夹层材料等效弹性模量的测试实验、试验后的数据拟合以及设计试验的推导过程。
背景技术
点阵夹层材料是一种可控的周期性重复结构，在低密度下却具有良好的力学性能，而且其周期性结构可以按照具体的工程设计需要来进行相应的优化，可设计性更强，可以代替航空航天中广泛使用的蜂窝、波纹等轻质夹层材料。
专利文献CN105479772B公开了一种准三维增强的复合材料点阵夹层结构及其制作方法。所述点阵夹层结构由正交编织的矩形纤维布或预浸料条带和立方体泡沫芯子以及面板铺层构成。本发明巧妙地利用复合材料结构的可设计性，设计出一种新的准三维编织结构作为点阵芯子，并与面板同时固化成型。在组元材料相同的前提下。
在现有技术中，目前对点阵材料弹性模量的研究多采用理论推导或者数值仿真的方法，可在已知点阵构型的基础上，利用等效方法、有限元法等计算出材料的静态性能。
在专利文献CN106503385A中，公开了一种点阵夹层材料等效弹性模量的计算方法，主要是将点阵夹层材料等效为多个受力特征相同的胞元，每个胞元均包括胞元上面板、胞元下底板和多个支梁，支梁支撑在胞元上面板和胞元下底板之间。
但是，这类数值仿真方法需要事先知道点阵的构型以及胞元的结构数据方可进行数值计算，而且往往生产出来的点阵结构由于材料、工具等原因会与图纸所要求的真实结构存在一定的误差，也使得按照图纸进行数值仿真得到的等效弹性模量不那么准确。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法和装置。
根据本发明提供的一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统，包括：激光位移计、激光位移计安装支架、固定工装、夹持工装、数据采集设备、计算机、载荷加载装置；
在测试试验时，允许点阵结构测试样件的一端通过夹持工装安装在固定工装上，在所述点阵结构测试样件的另一端通过所述载荷加载装置进行载荷加载；所述点阵结构测试样件的另一端为自由端；
所述激光位移计安装在激光位移计安装支架上，且激光位移计位于点阵结构测试样件的另一端的上方，所述激光位移计经过数据采集设备与计算机数据连接。
优选地，所述激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；所述激光位移计与点阵结构测试样件的间距设置为预设值。
优选地，所述计算机包括点阵夹层材料等效弹性模量试验分析装置，其中，所述点阵夹层材料等效弹性模量试验分析装置包括：
第一模块：控制载荷加载装置对点阵结构测试样件的另一端施加设定量级的力载荷，激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；
第二模块：针对不同厚度的点阵结构测试样件进行试验，并获得不同厚度不同加载载荷的情况下的点阵结构测试样件的另一端的位移数据；
第三模块：根据所述位移数据，分别计算得到不同厚度不同加载载荷的情况下的等效弹性模量；
第四模块：根据获得的等效弹性模量，拟合得到等效弹性模量与厚度的关系多项式及曲线。
根据本发明提供的一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析方法，包括以下步骤：
步骤S1：固定点阵结构测试样件；将激光位移计设置在点阵结构测试样件的另一端的上方；将载荷加载装置放置在点阵结构测试样件的另一端的下方；其中，所述点阵结构测试样件的另一端为自由端；
步骤S2：让载荷加载装置对点阵结构测试样件的另一端施加设定量级的力载荷，激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；
步骤S3：针对不同厚度的点阵结构测试样件进行试验，并获得不同厚度不同加载载荷的情况下的点阵结构测试样件的另一端的位移数据；
步骤S4：根据所述位移数据，分别计算得到不同厚度不同加载载荷的情况下的等效弹性模量；
步骤S5：根据获得的等效弹性模量，拟合得到等效弹性模量与厚度的关系多项式及曲线。
优选地，在所述步骤S4中，等效弹性模量的计算方法为：
E为点阵结构测试样件的等效弹性模量；
P为加载载荷；
L是点阵结构测试样件的长度；
S是点阵结构测试样件的自由端的位移；
I为点阵结构测试样件的惯性矩。
优选地，在所述步骤S5中，记等效弹性模量为y，单位Pa，厚度为x，单位mm，进行数据拟合得到等效弹性模量对厚度的关系多项式为：
y＝B0+B1x+B2x2+B3x3
B0＝1.30699e11；
B1＝-1.71267e10；
B2＝9.89253e8；
B3＝-1.94831e7；
B0、B1、B2、B3为y多项式的各项系数。
优选地，采用权利要求1所述的点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统。
根据本发明提供的一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析装置，包括以下模块：
第一模块：控制载荷加载装置对点阵结构测试样件的另一端施加设定量级的力载荷，激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；
第二模块：针对不同厚度的点阵结构测试样件进行试验，并获得不同厚度不同加载载荷的情况下的点阵结构测试样件的另一端的位移数据；
第三模块：根据所述位移数据，分别计算得到不同厚度不同加载载荷的情况下的等效弹性模量；
第四模块：根据获得的等效弹性模量，拟合得到等效弹性模量与厚度的关系多项式及曲线。
优选地，在所述第三模块中，等效弹性模量的计算方法为：
E为点阵结构测试样件的等效弹性模量；
P为加载载荷；
L是点阵结构测试样件的长度；
S是点阵结构测试样件的自由端的位移；
I为点阵结构测试样件的惯性矩。
优选地，在所述步骤S5中，记等效弹性模量为y，单位Pa，厚度为x，单位mm，进行数据拟合得到等效弹性模量对厚度的关系多项式为：
y＝B0+B1x+B2x2+B3x3
B0＝1.30699e11；
B1＝-1.71267e10；
B2＝9.89253e8；
B3＝-1.94831e7；
B0、B1、B2、B3为y多项式的各项系数。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明克服了传统认为的多采用理论推导或者数值仿真的方法，提高了获取到的等效弹性模量的准确性。
2、本发明直接对点阵结构测试样件进行试验及测试，通过拟合得到其等效弹性模量，是一种普通适用的方法，无需事先知道点阵的构型以及胞元的结构数据。
3、本发明无需考虑3D打印出来的点阵结构存在与图纸所要求的真实结构的误差，可以直接得到结构的等效弹性模量。
4、本发明解决了理论推导及数值仿真方法中对点阵的构型以及胞元的结构数据的准确要求以及3D打印产品与真实结构的误差问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的点阵夹层材料点阵结构测试样件的结构示意图。
图2为本发明提供的点阵夹层材料点阵结构测试样件的尺寸示意图。
图3为本发明提供的点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统的原理图。
图4为本发明提供的点阵夹层材料等效弹性模量试验分析方法的步骤流程图。
图5为本发明提供的点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法的结果图。
图1中示出：
图2中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统及方法和装置，直接对点阵结构测试样件进行试验及测试，拟合得到其等效弹性模量，解决了理论推导及数值仿真方法中对点阵的构型以及胞元的结构数据的准确要求的问题，解决了生产出来的产品与真实结构的误差问题。
本发明在研发过程中的难点在于，发明人经过研究推导才想到，增大点阵部分的厚度，或许整体的等效弹性模量将收敛于点阵结构的等效弹性模量；从而产生了进行实验的动机，之后通过实验进行验证才得出了结论。具体的研发过程为：
如附图1所示，点阵结构测试样件主要是由上蒙皮1、点阵夹芯4、下蒙皮2组成的类似“夹心饼干”的结构。如附图2所示，记蒙皮部分(含上蒙皮和下蒙皮)和点阵部分的弹性模量、惯性矩和厚度分别为Es、Et、Is、It、hs、ht，点阵结构测试样件宽度为b；并记同样外轮廓包络线下的均质各向同性材料的等效弹性模量、惯性矩分别为 则有：
等式两边同时消去得到
从上面等式可以看出，若保持蒙皮部分厚度hs不变，
当点阵部分厚度ht→0，即点阵厚度无穷小时，点阵结构测试样件的弹性模量趋于蒙皮材料的弹性模量；
当点阵部分厚度ht→∞，即点阵厚度无穷大时，点阵结构测试样件的弹性模量趋于点阵夹芯结构的弹性模量；
由此可知，增大点阵部分的厚度，整体的等效弹性模量将收敛于点阵结构的等效弹性模量。
故本发明分别设计了不同厚度的点阵结构测试样件，各个点阵结构测试样件的厚度不同，分别为3、8、12、16cm。
根据本发明提供的一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统，包括：激光位移计、激光位移计安装支架、固定工装、夹持工装、数据采集设备、计算机、点阵结构测试样件、载荷加载装置；所述点阵结构测试样件一端通过夹持工装安装在固定工装上，所述载荷加载装置在点阵结构测试样件另一端(即自由端)进行载荷加载，所述激光位移计安装在激光位移计安装支架上，且激光位移计位于点阵结构测试样件自由端的上方，所述激光位移计经过数据采集设备与计算机数据连接。
根据本发明提供的一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析方法，采用所述的点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统，包括以下步骤：
步骤S1：将点阵结构测试样件一端通过夹持工装安装在固定工装上；将激光位移计安装在激光位移计安装支架上，且激光位移计位于点阵结构测试样件另外一端(自由端)的上方。将载荷加载装置放置在点阵结构测试样件的自由端下方，并调到所需要的加载档。
步骤S2：让载荷加载装置对点阵结构测试样件非夹持端施加一定量级的力载荷，激光位移计采集加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号并将其转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析。
步骤S3：更换不同厚度的点阵结构测试样件再进行试验并获得不同加载情况下不同厚度下的点阵结构测试样件自由端的位移数据；其中包括更换不同的加载载荷再进行试验并获得不同载荷下的点阵结构测试样件自由端的位移数据。
步骤S4：对前面得到的位移数据进行整理，并计算得到不同情况下的等效弹性模量。
步骤S5：利用前面得到的等效弹性模量、厚度的数据，进行拟合得到等效弹性模量与厚度的关系多项式及曲线。
所述点阵夹层材料等效弹性模量试验分析方法，采用所述点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统。
根据本发明提供的一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析装置，包括以下模块：
第一模块：控制载荷加载装置对点阵结构测试样件的另一端施加设定量级的力载荷，激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；
第二模块：针对不同厚度的点阵结构测试样件进行试验，并获得不同厚度不同加载载荷的情况下的点阵结构测试样件的另一端的位移数据；
第三模块：根据所述位移数据，分别计算得到不同厚度不同加载载荷的情况下的等效弹性模量；
第四模块：根据获得的等效弹性模量，拟合得到等效弹性模量与厚度的关系多项式及曲线。
所述点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统的计算机，包括所述点阵夹层材料等效弹性模量试验分析装置。
接下来结合本发明的优选实施例，对本发明进行更为具体的说明。
激光位移计位于点阵结构测试样件的另一端(自由端)的上方1米。点阵结构测试样件的另一端(自由端)为非夹持端，非夹持端受到载荷加载后向下弯曲变形，如图3所示，这样，阵结构测试样件的另一端(自由端)便产生位移，激光位移计正是测量该位移，得到位移数据。其中，激光位移计位于自由端的上方，从而自由端发生位移时不会与激光位移计产生干涉。载荷加载时载荷加载装置对点阵结构测试样件非夹持端施加的力载荷不同，例如可以分别为10、20、30、40N。各个点阵结构测试样件的厚度不同，例如分别为3、8、12、16cm。选取有利于曲线拟合的参数。
以悬臂梁结构作为点阵结构测试样件为例，本发明中的等效弹性模量的计算方法为，对于如图1所示的一端固支、一端自由的悬臂梁结构，在自由端施加载荷P，则自由端的位移值S为
其中L是悬臂梁的长度，E为悬臂梁的等效弹性模量，I为悬臂梁的惯性矩。带入新测到的S，则
优选的，所述步骤S5中记等效弹性模量为y(单位Pa)，厚度为x(单位mm)，利用前面试验及步骤S4计算所得的数据拟合得到等效弹性模量对厚度的关系多项式为:
y＝B0+B1x+B2x2+B3x3
B0＝1.30699e11；
B1＝-1.71267e10；
B2＝9.89253e8；
B3＝-1.94831e7；
B0、B1、B2、B3为y多项式的各项系数。
从图5中曲线可以看出，当保持点阵胞元尺度不变的情况下，随着点阵结构厚度的增加，整个结构外轮廓包含的实心均质实体结构的等效弹性模量将逐渐下降，且随着厚度的增加将逐渐趋于收敛于某一个值，这个值即为收敛得到的等效弹性模量。
综上所述，经本发明所提方法直接对点阵结构测试样件进行试验及测试，通过拟合得到其等效弹性模量，是一种普通适用的方法，无需事先知道点阵的构型以及胞元的结构数据，也无需考虑3D打印出来的点阵结构由与图纸所要求的真实结构的误差，可以直接得到结构的等效弹性模量，解决了理论推导及数值仿真方法中对点阵的构型以及胞元的结构数据的准确要求以及3D打印产品与真实结构的误差问题。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (2)

1.一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统，其特征在于，包括：激光位移计、激光位移计安装支架、固定工装、夹持工装、数据采集设备、计算机、载荷加载装置；
在测试试验时，允许点阵结构测试样件的一端通过夹持工装安装在固定工装上，在所述点阵结构测试样件的另一端通过所述载荷加载装置进行载荷加载；所述点阵结构测试样件的另一端为自由端；
所述激光位移计安装在激光位移计安装支架上，且激光位移计位于点阵结构测试样件的另一端的上方，所述激光位移计经过数据采集设备与计算机数据连接；
所述激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；所述激光位移计与点阵结构测试样件的间距设置为预设值；
所述计算机包括点阵夹层材料等效弹性模量试验分析装置，其中，所述点阵夹层材料等效弹性模量试验分析装置包括：
第一模块：控制载荷加载装置对点阵结构测试样件的另一端施加设定量级的力载荷，激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；
第二模块：针对不同厚度的点阵结构测试样件进行试验，并获得不同厚度不同加载载荷的情况下的点阵结构测试样件的另一端的位移数据；
第三模块：根据所述位移数据，分别计算得到不同厚度不同加载载荷的情况下的等效弹性模量；
第四模块：根据获得的等效弹性模量，拟合得到等效弹性模量与厚度的关系多项式及曲线；
在所述第三模块中，等效弹性模量的计算方法为：
E为点阵结构测试样件的等效弹性模量；
P为加载载荷；
L是点阵结构测试样件的长度；
S是点阵结构测试样件的自由端的位移；
I为点阵结构测试样件的惯性矩；
在所述第四模块中，记等效弹性模量为y，单位Pa，厚度为x，单位mm，进行数据拟合得到等效弹性模量对厚度的关系多项式为：
y＝B0+B1x+B2x2+B3x3
B0＝1.30699e11；
B1＝-1.71267e10；
B2＝9.89253e8；
B3＝-1.94831e7；
B0、B1、B2、B3为y多项式的各项系数。
2.一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析方法，其特征在于，采用一种点阵夹层材料等效弹性模量试验分析系统，包括：激光位移计、激光位移计安装支架、固定工装、夹持工装、数据采集设备、计算机、载荷加载装置；
在测试试验时，允许点阵结构测试样件的一端通过夹持工装安装在固定工装上，在所述点阵结构测试样件的另一端通过所述载荷加载装置进行载荷加载；所述点阵结构测试样件的另一端为自由端；
所述激光位移计安装在激光位移计安装支架上，且激光位移计位于点阵结构测试样件的另一端的上方，所述激光位移计经过数据采集设备与计算机数据连接；
所述激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；所述激光位移计与点阵结构测试样件的间距设置为预设值；
包括以下步骤：
步骤S1：固定点阵结构测试样件；将激光位移计设置在点阵结构测试样件的另一端的上方；将载荷加载装置放置在点阵结构测试样件的另一端的下方；其中，所述点阵结构测试样件的另一端为自由端；
步骤S2：让载荷加载装置对点阵结构测试样件的另一端施加设定量级的力载荷，激光位移计采集载荷加载后的点阵结构测试样件表面的位移信号，并将所述位移信号转换成模拟电压信号，经过所述数据采集设备将模拟电压信号转换成数字电压信号，经过计算机对数字电压信号进行信号分析；
步骤S3：针对不同厚度的点阵结构测试样件进行试验，并获得不同厚度不同加载载荷的情况下的点阵结构测试样件的另一端的位移数据；
步骤S4：根据所述位移数据，分别计算得到不同厚度不同加载载荷的情况下的等效弹性模量；
步骤S5：根据获得的等效弹性模量，拟合得到等效弹性模量与厚度的关系多项式及曲线；
在所述步骤S4中，等效弹性模量的计算方法为：
E为点阵结构测试样件的等效弹性模量；
P为加载载荷；
L是点阵结构测试样件的长度；
S是点阵结构测试样件的自由端的位移；
I为点阵结构测试样件的惯性矩；
在所述步骤S5中，记等效弹性模量为y，单位Pa，厚度为x，单位mm，进行数据拟合得到等效弹性模量对厚度的关系多项式为：
y＝B0+B1x+B2x2+B3x3
B0＝1.30699e11；
B1＝-1.71267e10；
B2＝9.89253e8；
B3＝-1.94831e7；
B0、B1、B2、B3为y多项式的各项系数。
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