CN114701659A - 复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置及方法，属于复合材料成型技术领域，该装置包括底座、夹持组件、施力组件、位置检测组件和防护夹板，其中夹持组件包括夹持台、定位轴和盖板，施力组件包括施力器、施力头和施力显示表，位置检测组件包括门型支撑框、量杆和百分表，防护夹板包括可拆卸的上夹板和下夹板。本发明可实现小载荷加载工况下翼面弯曲变形量和扭转变形量的无损测试，具备设备成本低、测试数据稳定可靠、测试方法简单、易于操作等优点。

Description

复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种小载荷下复合材料翼面弯曲变形和扭转变形的表征测试方法，属于复合材料成型技术领域。
背景技术
飞机重量与性能及经济性关系密切，减轻飞机结构重量是飞机研制工作中的主要目标之一。复合材料翼面具有比刚度和比强度高、抗疲劳和抗腐蚀性能好等优良的力学性能，在航空、航天结构中得到了广泛的应用，其应用范围由最初的次承力结构扩展到现在的主承力结构。
作为主承力结构的复合材料翼面，必须满足一定的刚强度，在飞行过程中不能出现超出可控范围的弯曲变形或扭转变形，否则会出现滚动力矩偏大的情况，干扰飞行过程的稳定性。通过前期试验数据积累，翼面在飞行受载情况下的弯曲变形量和扭转变形量和小载荷下的变形量基本为线性关系，因此，可以用小载荷下的变形量去表征翼面的弯曲刚度和扭转刚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小载荷下复合材料翼面弯曲变形和扭转变形的表征测试装置及方法，可实现小载荷加载工况下翼面弯曲变形量和扭转变形量的无损测试，具备设备成本低、测试数据稳定可靠、测试方法简单、易于操作等优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，包括：
底座；
夹持组件，包括夹持台、定位轴和盖板；该夹持台固定于底座的一端部，该定位轴连接于该夹持台上，该盖板可拆卸套接于定位轴上；该定位轴用于定位待测翼面，该盖板与该夹持台用于夹持固定该翼面；
施力组件，包括施力器、施力头和施力显示表；该施力器的底座固定于底座的另一端部；该施力器通过该施力头向翼面加载一向上的载荷，该施力显示表用于显示该载荷的量；
位置检测组件，包括门型支撑框、量杆和百分表，该门型支撑框可拆卸安装于底座上，该百分表通过该量杆安装于该门型支撑框上，该百分表通过一测头来检测翼面变形后显示位移变化量；
防护夹板，包括可拆卸的上夹板和下夹板，该上夹板和该下夹板并靠连接时中间形成一用于夹持翼面的翼面夹持孔；该下夹板的底部设有正对于施力组件的施力头的一受力凹槽，用于承载该施力头的载荷并防止该施力头滑动。
进一步地，位置检测组件根据需要选用多套，正向或斜向地安装于底座上，该正向是指门型支撑框正对于夹持组件，该斜向是指门型支撑框非正对于夹持组件。
进一步地，多套位置检测组件中包括至少一套正向的位置检测组件和至少一套斜向的位置检测组件，或者包括至少两套正向的位置检测组件。
进一步地，每个门型支撑框上安装有两个百分表，该两个百分表位于门型支撑框同一侧或不同侧，分别用于测量翼面的前缘点和后缘点。
进一步地，百分表的量程为0～100mm。
进一步地，施力显示表为数字显示器，量程为0～200kg。
进一步地，夹持台、施力器的底座、施力显示表、防护夹板和门型支撑框通过螺栓固定连接于底座上。
进一步地，上夹板和下夹板通过螺栓相互连接。
进一步地，夹持组件的盖板通过上方的紧固螺钉限位。
一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试方法，包括以下步骤：
将翼面抬平安装在夹持台上，翼面轴孔穿套在定位轴上，然后用盖板穿套在定位轴并压紧翼面，通过盖板上方的紧固螺钉固定；
构建三维空间坐标系，表征测试装置及翼面位于该坐标系内，根据该三维空间坐标系确定翼面的加载点和测量点；
在翼面上安装防护夹板，将上夹板和下夹板夹紧翼面并相互连接，下夹板的底部的受力凹槽位于所述翼面的加载点位置；
将施力组件的施力器的底座和施力显示表安装在底座上，施力组件的施力头正对上方的受力凹槽；
根据实际测试需要选择一套或多套位置检测组件，将位置检测组件的门型支撑框正向和/或卸向安装在底座上；将百分表通过量杆安装在门型支撑框上，百分表的测头与翼面的测量点位置的表面轻接触，并将百分表的读数调零；
通过施力组件向翼面的加载点缓慢加载至预设的不同载荷，通过百分表读取测量点的位移数据，根据位移数据计算翼面的弯曲变形量和扭转变形量。
进一步地，将翼面抬平安装在夹持台上之前，先检查翼面轴孔和夹持组件的定位轴，若有毛刺或损伤，则进行研磨修整，再用酒精清理清洁翼面轴孔和定位轴，最后在翼面轴孔和定位轴上涂润滑脂进行安装。
进一步地，通过百分表读取测量点的位移数据包括读取翼面的前缘点和后缘点的数据。
本发明的有益效果：
1.本发明的测试装置通过采集翼面上的不同点在不同载荷下的位移数据，反映翼面不同位置的变形情况，可准确获取评估翼面在小载荷(0～60kg)下的弯曲变形量和扭转变形量，保证翼面在飞行过程中的可靠性和稳定性。
2.以往测量时测量点和加载点是通过划线找点的方式来确定的，本发明与之不同的是加载点和测量点直接由施力组件的施力头和百分表的落点决定，节约了工人划线找点的时间。以往找点依据的是距离基准的直线距离，而由于翼面外形是弧面，因此存在一定的测量误差，本发明与之不同的是测量点和加载点都可以通过三维空间坐标提前确定好空间位置，解决了误差问题，提高了测量精度。
附图说明
图1是实施例中的复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置立体图。
图2是实施例中的复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置立体图。
图3是实施例中的加持组件立体图。
图4是实施例中的施力组件立体图。
图5是实施例中的防护夹板侧透视图。
图6是实施例中的防护夹板底视图。
附图标记说明：
10：夹持组件； 11：夹持台；
12：定位轴； 13：盖板；
20：施力组件； 21：施力器；
22：施力头； 23：压力显示表；
30：位置检测组件； 31：门型支撑框；
32：量杆； 33：百分表；
40：底座； 50：防护夹板；
51：上夹板； 52：下夹板；
53：翼面夹持孔； 54：受力凹槽。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本发明公开第一实施例，具体公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，如图1-2所示，包括：夹持组件10、施力组件20、位置检测组件30、底座40和防护夹板50，其中夹持组件10、施力组件20、位置检测组件30固定在底座40上。
夹持组件10位于底座40的一端，结构如图3所示，包括夹持台11、定位轴12和盖板13，定位轴12竖直连接于夹持台11上，盖板13可拆卸套接于定位轴12上，上方通过紧固螺钉限位和固定，用于固定复合材料翼面工件的根部。
施力组件20靠近于底座40的另一端，与夹持组件10间隔设置，结构如图4所示。施力组件20包括施力器21、施力头22和压力显示表23，压力显示表23固定于底座40上，施力器21通过施力头22对复合材料翼面工件施加预设载荷。本实施例中，压力显示表23具体为数字显示器，量程为0～200kg。
位置检测组件30在本实施例中选用四套，间隔设置以检测所述工件在受到预设载荷后的多个测量点的位移变化量。该四套具体含有三套平行的正向的位置检测组件30和一套斜向的位置检测组件30，该斜向的位置检测组件30与正向的位置检测组件30呈一夹角。位置检测组件30的结构如图1-2所示，包括门型支撑框31、量杆32和百分表33，其中每个门型支撑框31都竖直固定于底座40上，安装有两干个量杆32，每个量杆上安装有一个百分表33，两个百分表33分别用于检测翼面工件在受到预设载荷后的前缘点和后缘点的位移变化量。百分表33的量程为0～100mm。
防护夹板50的结构如图5-6所示，包括上夹板51和下夹板52，上下夹板通过螺栓连接，中间形成夹持翼面工件的翼面夹持孔53，下夹板52的底面设有受理凹槽54。防护夹板50用于固定在翼面工件上，受力凹槽54正对于下方的施力头22，当施力器21通过施力头22作用于防护夹板50的受力凹槽54上时，来对翼面工件施加预设载荷。可见防护夹板50能够避免翼面工件直接被施力头22接触而导致受力变形，受力凹槽54能够防止施力头22在复合材料翼面工件上滑移。
本实施例还公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试方法，采用上述装置完成，包括以下步骤：
第一步：将翼面工件安装在夹持组件10上，安装前先检查翼面轴孔和夹持组件10的定位轴12，若有毛刺或损伤，须研磨修整后安装；再用酒精清理清洁翼面轴孔和定位轴12，安装时轴孔和定位轴12上涂润滑脂，将翼面抬平装至夹持台11上的定位轴12上，安装到位后用盖板13压紧，并安装盖板13中心孔处的紧固螺钉。
第二步：构建三维空间坐标系，表征测试装置及翼面位于该坐标系内，根据该三维空间坐标系确定翼面的加载点和测量点，该测量点包括前缘点和后缘点。该坐标系例如包括X、Y、Z三个轴，原点O位于夹持组件的定位轴轴心与底座下平面的相交处，X轴由该原点指向施力组件的方向，Z轴位于定位轴轴心线上并朝上，Y轴垂直于XOZ平面。在该坐标系中，翼面的加载点的坐标为(xj,yj,zj)，如果要测试多个加载点，则j＝1,2,3…，如两个加载点的坐标为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)；测量点的前缘点为
Figure BDA0003579684780000051
后缘点为
Figure BDA0003579684780000052
如果要测量多组测量点(前缘点+后缘点)，则i＝1,2,3…，如两组测量点为
Figure BDA0003579684780000053
和
Figure BDA0003579684780000054
若施力头的顶点位于XOZ平面内，则可以通过定位组件调整翼面的转向，使得加载点也位于XOZ平面内，则加载点的坐标可以表示为(xj,0,zj)。由此可见，通过构建三维空间坐标系，利用坐标的形式标记加载点和测量点的位置，可以克服加载点和测量点受翼面弧形所导致的测量误差的影响。
第三步：在翼面工件上安装防护夹板50，将上夹板51和下夹板52加紧翼面于翼面夹持孔53内，通过紧固螺钉连接，并且确保防护夹板的受力凹槽54位于翼面的加载点位置。
第四步：安装施力组件20，施力组件20底座上的螺钉孔和测试装置底座40上预留的安装孔对齐，并安装紧固螺钉，施力组件20的施力头22与上方的受力凹槽54上下对齐。
第五步：安装位置检测组件30，将门型支撑框31底座上的螺钉孔和测试装置底座40上预留的安装孔对齐，并安装紧固螺钉。也可以根据实际需求，先按照第五步安装位置检测组件30，再进行第一步固定翼面工件。
上述第三步、第四步、第五步的安装顺序可以根据实际情况调整先后。
第六步：将百分表33的量杆32插入门型支撑框31预留的孔中，百分表33的测头和翼面的测量点位置的表面轻接触，并将百分表33的读数调零。
第七步：通过施力组件20缓慢加载至预设的不同载荷，通过百分表33读取测量点的位移数据，翼面的前缘点记作Ai，后缘点记作Ci，根据前缘点和后缘点数据计算翼面的弯曲变形量和扭转变形量，基本表达式为：
弯曲变形量计算公式为：(Ai+Ci)/2；
扭转变形量计算公式为：(Ai-Ci)/2。
对于测量的多组前缘点和后缘点的数据，分别计算各组的弯曲变形量和扭转变形量，选择当中的弯曲变形量最大值和扭转变形量最大值作为最终的计算结果，表达式如下：
弯曲变形量计算公式为：MAX((Ai+Ci)/2),i＝1,2,3…；
扭转变形量计算公式为：MAX((Ai-Ci)/2),i＝1,2,3…。
本发明公开第二实施例，具体公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，包括：夹持组件、施力组件、位置检测组件、底座和防护夹板，其中夹持组件、施力组件、位置检测组件固定在底座上。与上述实施例不同之处在于，本实施例的位置检测组件含有一套正向的位置检测组件，正对于夹持组件。
本发明公开第三实施例，具体公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，包括：夹持组件、施力组件、位置检测组件、底座和防护夹板，其中夹持组件、施力组件、位置检测组件固定在底座上。与上述实施例不同之处在于，本实施例的位置检测组件含有一套斜向的位置检测组件，非正对于夹持组件。
本发明公开第四实施例，具体公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，包括：夹持组件、施力组件、位置检测组件、底座和防护夹板，其中夹持组件、施力组件、位置检测组件固定在底座上。与上述实施例不同之处在于，本实施例的位置检测组件含有两套间隔设置的正向的位置检测组件，都正对于夹持组件。
本发明公开第四实施例，具体公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，包括：夹持组件、施力组件、位置检测组件、底座和防护夹板，其中夹持组件、施力组件、位置检测组件固定在底座上。与上述实施例不同之处在于，本实施例的位置检测组件含有两套间隔设置的斜向的位置检测组件，都不正对于夹持组件，两套之间相互平行。
本发明公开第五实施例，具体公开一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，包括：夹持组件、施力组件、位置检测组件、底座和防护夹板，其中夹持组件、施力组件、位置检测组件固定在底座上。与上述实施例不同之处在于，本实施例的位置检测组件含有两套间隔设置的斜向的位置检测组件，都不正对于夹持组件，两套之间不相互平行，含有一夹角。
由上述多个实施例可以看出，位置检测组件可以含有一套或多套，可以是正向的或者任意斜向的，具体需要根据实际测量要求来确定。本发明要求保护的位置检测组件的套数和布置方位不受上述实施例的限制。上述第二至第五实施例的表征测试方法与第一实施例中的大致相同，区别主要在于翼面加载点和测量点的位置、检测组件的安装位置、施力组件的安装位置等的不同，以及第三步、第四步、第五步的安装顺序的区别，不再赘述。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。

Claims (10)

1.一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试装置，其特征在于，包括：
底座；
夹持组件，包括夹持台、定位轴和盖板；该夹持台固定于底座的一端部，该定位轴连接于该夹持台上，该盖板可拆卸套接于定位轴上；该定位轴用于定位待测翼面，该盖板与该夹持台用于夹持固定该翼面；
施力组件，包括施力器、施力头和施力显示表；该施力器的底座固定于底座的另一端部；该施力器通过该施力头向翼面加载一向上的载荷，该施力显示表用于显示该载荷的量；
位置检测组件，包括门型支撑框、量杆和百分表，该门型支撑框可拆卸安装于底座上，该百分表通过该量杆安装于该门型支撑框上，该百分表通过一测头来检测翼面变形后显示位移变化量；
防护夹板，包括可拆卸的上夹板和下夹板，该上夹板和该下夹板并靠连接时中间形成一用于夹持翼面的翼面夹持孔；该下夹板的底部设有正对于施力组件的施力头的一受力凹槽，用于承载该施力头的载荷并防止该施力头滑动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，位置检测组件根据需要选用多套，正向或斜向地安装于底座上，该正向是指门型支撑框正对于夹持组件，该斜向是指门型支撑框非正对于夹持组件。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，多套位置检测组件中包括至少一套正向的位置检测组件和至少一套斜向的位置检测组件，或者包括至少两套正向的位置检测组件。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每个门型支撑框上安装有两个百分表，该两个百分表位于门型支撑框同一侧或不同侧，分别用于测量翼面的前缘点和后缘点。
5.如权利要求1或4所述的装置，其特征在于，百分表的量程为0～100mm；施力显示表为数字显示器，量程为0～200kg。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，夹持台、施力器的底座、施力显示表、防护夹板和门型支撑框通过螺栓固定连接于底座上；上夹板和下夹板通过螺栓相互连接。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，夹持组件的盖板通过上方的紧固螺钉限位。
8.一种复合材料翼面小载荷弯曲扭转变形的表征测试方法，基于权利要求1所述的装置实现，该方法包括以下步骤：
将翼面抬平安装在夹持台上，翼面轴孔穿套在定位轴上，然后用盖板穿套在定位轴并压紧翼面，通过盖板上方的紧固螺钉固定；
构建三维空间坐标系，表征测试装置及翼面位于该坐标系内，根据该三维空间坐标系确定翼面的加载点和测量点；
在翼面上安装防护夹板，将上夹板和下夹板夹紧翼面并相互连接，下夹板的底部的受力凹槽位于所述翼面的加载点位置；
将施力组件的施力器的底座和施力显示表安装在底座上，施力组件的施力头正对上方的受力凹槽；
根据实际测试需要选择一套或多套位置检测组件，将位置检测组件的门型支撑框正向和/或卸向安装在底座上；将百分表通过量杆安装在门型支撑框上，百分表的测头与翼面的测量点位置的表面轻接触，并将百分表的读数调零；
通过施力组件向翼面的加载点缓慢加载至预设的不同载荷，通过百分表读取测量点的位移数据，根据位移数据计算翼面的弯曲变形量和扭转变形量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将翼面抬平安装在夹持台上之前，先检查翼面轴孔和夹持组件的定位轴，若有毛刺或损伤，则进行研磨修整，再用酒精清理清洁翼面轴孔和定位轴，最后在翼面轴孔和定位轴上涂润滑脂进行安装。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，通过百分表读取测量点的位移数据包括读取翼面的前缘点和后缘点的数据。
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