CN115195159A - 一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，包括芯模，所述芯模设有内腔，所述芯模上安装有应变传感器，所述应变传感器通过导线电连接有应变采集模块，所述应变采集模块连接有信号连接模块，所述信号连接模块连接有测量控制系统。本发明能够测试芯模的应变变化规律，掌握芯模的预紧效果，保证复合材料缠绕成型质量与应用。
Description
技术领域
本发明属于材料测试的技术领域，特别是一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置及方法。
背景技术
近年来，纤维增强复合材料缠绕成型在航空航天、航海交通等领域得到了越来越广泛的应用。复合材料缠绕成型需在芯模上进行，此时复合材料会对芯模产生不同程度的外压载荷或预紧作用。若在缠绕成型工艺阶段产生载荷或预紧作用增长不规律、最终预紧作用过大或过小等现象均不利于制品成型质量控制。因此在复合材料缠绕成型过程中，测试芯模应变变化规律，掌握芯模预紧效果，对提高缠绕成型张力控制水平，保证复合材料缠绕成型质量与应用效果极为重要。
中国专利申请202010762894.3中公开了一种碳纤维复合材料全过程在线监测方法及监测装置，其采用具有电效应的多功能材料作为复合材料的层间相，并在层间相以及相邻的纤维铺层上分别设置导线组成监测电路，在复合材料成型及服役过程中收到温度或外载荷时将产生电信号，从而实现复合材料内部质量监测。但该装置及方法存在以下几个问题：(1)其信号监测依赖于具有电效应的多功能材料层间相，只能重点监测某层应变，不能直接进行缠绕芯模应变测试；(2)复合材料缠绕成型过程中芯模需持续旋转，导线组成的监测电路将在旋转过程中产生纠缠破损；(3)由多功能材料层间相难以获取应变等与预紧力有关的信号。
中国专利108194229B公开了一种火箭发动机复合材料壳体的制作方法，其在缠绕厚度达到一半时平行于纤维方向布置光纤光栅传感器，然后继续缠绕至结束，经传感器保护及校正后实现复合材料壳体内部随外界环境产生的应变变化监测。相比于前一项专利技术，该项技术可用于测试复合材料不同方向应变，但该方法仍存在以下几个问题：(1)光纤光栅需包埋于复合材料中，可用于测试复合材料内部应变，不能直接进行缠绕用芯模应变测试；(2)其所用光纤光栅仅用于测量复合材料固化后的应变，不可用于固化前的缠绕过程中应变测量；(3)光纤光栅价格昂贵，且易破损，包埋于复合材料中存活率低；(4)光纤光栅传感器导线将在复合材料旋转过程中产生纠缠或扭转破损。
因此，设计一种能够直接测试芯模预紧作用的在线测试方法及装置，适用于复合材料缠绕及固化过程中的连续旋转过程，是本发明想要解决的问题。
发明内容
本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置及方法。
本发明的技术方案是：
一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，包括芯模，所述芯模设有内腔，所述芯模上安装有应变传感器，所述应变传感器通过导线电连接有应变采集模块，所述应变采集模块连接有信号连接模块，所述信号连接模块连接有测量控制系统。
优选的，所述芯模的两端安装有芯模集杆，所述芯模集杆是中空结构。
优选的，所述应变传感器安装在所述芯模的内壁，其中一个所述芯模集杆的端部安装有应变采集模块，所述应变传感器通过穿过芯模集杆的所述导线连接所述应变采集模块。
进一步优选的，所述信号连接模块为滑环连接器。
优选的，所述应变传感器安装在所述芯模的外壁，两个所述芯模集杆的端部分别安装所述应变采集模块，所述应变传感器通过导线电连接所述应变采集模块。
进一步优选的，所述应变传感器至少设有2个以上，所述导线也设有至少2根以上，所述应变传感器通过所述导线电分别去连接2个所述应变采集模块。
进一步优选的，所述信号连接模块为红外收发器。
本发明的第二个目的：
一种复合材料缠绕成型应变在线测量方法，使用如上述所述的复合材料缠绕成型应变在线测量装置，包括以下步骤：
步骤一：测量前确认应变传感器的测试方向；
步骤二：确认应变采集模块与测量控制系统通过信号连接模块连接到位后，完成应变传感器的校正与归零，开始应变测量；
步骤二：启动复合材料缠绕，直至缠绕成型结束；
步骤三：将已缠绕复合材料的芯模转移到固化炉中进行旋转固化，再次确认应变采集模块与测量控制系统通过信号连接模块连接到位，再次完成应变传感器校正与归零，开始应变测量；
步骤四：已缠绕复合材料的芯模旋转固化结束，停止测量。
优选的，所述步骤一中，应变传感器测试方向为沿芯模环向或与芯模轴向夹角为锐角。
进一步优选的，所述步骤二中，最高固化温度为120℃到200℃。
本发明的的有益效果是：
1、可直接测试芯模表面在不同方向的应变；
2、可以实现已缠绕复合材料的芯模持续旋转时的应变测量；
3、可实现固化前树脂呈胶液状态时芯模的应变测量；
4、在高温条件下可实现应变测量；
5、应变传感器价格相比于光纤光栅等传感器大幅降低；
6、应变传感器存活率高，不易被缠绕过程中纤维运动挤压所损伤；
7、应变传感器固定方式方便牢靠，且不同安装位置可以收集更多数据。
附图说明
图1是本发明中复合材料缠绕成型应变在线测量装置的安装示意图；
图2是本发明中复合材料缠绕成型应变在线测量装置的连接示意图一；
图3是本发明中复合材料缠绕成型应变在线测量装置的连接示意图二。
图中：
1-芯模；2-芯模集杆；3-应变传感器；4-导线；5-应变采集模块；6-信号连接模块；7-测量控制系统。
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图1-3具体说明本发明。
实施例1：
一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，包括芯模1，所述芯模1设有内腔，所述芯模1上安装有应变传感器3，所述应变传感器3通过导线4电连接有应变采集模块5，所述应变采集模块5连接有信号连接模块6，所述信号连接模块6连接有测量控制系统7。
工作原理：
本技术方案中，将应变传感器3固定在芯模1上，应变传感器3与应变采集模块5间通过导线4连接，将应变采集模块5与测量控制系统7通过信号连接模块6进行连接，最终组装成复合材料缠绕成型应变在线测量装置。
芯模1的两端可开启，开启后芯模1的内腔与外界连通，可以方便在芯模1的内壁来固定应变传感器3。芯模1的外形包括且不限于圆筒状、锥筒状、葫芦状、弯管状、环管状。本实施例中，芯模1外形选用了圆筒状。
在线测量的时候，应变传感器3粘贴在被测试部位，用于测试该部位沿粘贴方向的综合平均应变，使数据统计更准确。应变传感器3可固定于芯模1的表面任意指定方向，量程为-30000με～30000με，其厚度小于0.5mm，数量为1～20个，根据不同技术方案来实施，可在室温至250℃范围内使用。
应变采集模块5与应变传感器3相连接，连接数量取决于应变传感器3数量与应变采集模块5的通道数量，用于采集各个应变传感器3的实时信号。应变采集模块5包括1～10个通道，可连接1～10个应变传感器3，可采集的应变范围为-40000με～40000με，可在室温至250℃范围内使用。
信号连接模块6用于连接应变采集模块5与测量控制系统7，实现测量控制系统7对应变采集模块5的实时控制，以及应变采集模块5对测量控制系统7的数据实时传输。
信号连接模块6包括且不限于滑环连接器、红外收发器与激光收发器，可在室温至250℃范围内使用。
导线4直径小于0.6mm，且带有绝缘外皮。可在室温至250℃范围内使用。
测量控制系统7用于显示实时测试数据，以及实现对应变采集模块5的实时控制，包括校正、归零、启动测试与结束测试等。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述芯模1的两端安装有芯模集杆2，所述芯模集杆2是中空结构。
中空结构的芯模集杆2便于在某些实施例中，导线4可以由芯模1内腔通过芯模集杆2穿出。
实施例2：
以实施例1为基础，使测量装置更适合当前测量环境，对应变传感器3的安装位置和数量、应变采集模块5的数量、导线4安装位置进行改进。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述应变传感器3安装在所述芯模1的内壁，其中一个芯模集杆2的端部安装有应变采集模块5，所述应变传感器3通过穿过芯模集杆2的所述导线4连接所述应变采集模块5。
本实施例中，所述应变传感器3为0.4mm厚片状，数量为1个，固定于芯模1的内壁表面，可在室温至150℃下使用，应变传感器3固定方向为沿芯模1环向的测试方向。
导线4直径为0.4mm，且带有绝缘外皮，可在室温至150℃下使用。
应变采集模块5可在室温至150℃下使用。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述信号连接模块6为滑环连接器。本实施例中，信号连接模块6可在室温至150℃下使用。
在无线信号传输受到信号干扰呈现不可用状态，或使用效果不好，或无线传输方式被禁用，以避免其对其他设备的干扰的场景下，滑环连接器可实现接触式的信号连接，替代了无线信号传输，同时又避免了普通有线信号连接的线缆在芯模1旋转时裹绕断线。本实施例中，应变传感器3至于芯模1的内壁表面，可能会影响无线信号传输，因此选用了滑环连接器。
实施例3：
以实施例1为基础，使测量装置更适合当前测量环境，对应变传感器3的安装位置和数量、应变采集模块5的数量、导线4安装数量、信号连接模块6的数量和类别进行改进。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述应变传感器3安装在所述芯模1的外壁，两个所述芯模集杆2的端部分别安装所述应变采集模块5，所述应变传感器3通过导线4电连接所述应变采集模块5。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述应变传感器3至少设有2个以上，所述导线4也设有至少2根以上，所述应变传感器3通过所述导线4电分别去连接2个所述应变采集模块5。
本实施例中，应变传感器3为0.3mm厚片状，数量为20个，固定于芯模1的外壁表面，可以在室温至250℃下使用。应变传感器3固定方向为与芯模1轴向夹角为45的测试方向。
应变采集模块5数量为2个，分别固定于两侧芯模集杆2的端部，可在室温至250℃下使用。
本实施例中，共使用20根导线4，导线4直径为0.5mm，且带有绝缘外皮，可在室温至250℃下使用。
20根导线4与20个应变传感器3相连，导线4固定在芯模1外表面，其中10根导线4为1组，1组导线4连接1个应变采集模块5。
在实际操作中，考虑到当前芯模1体积以及测试需要，初步判断20根导线4即可满足测试需求。如果芯模1较小或较大，10根或数十根也可以，相应的，应变传感器3的数量也会有所变化。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述信号连接模块6为红外收发器。本实施例中，信号连接模块6为红外收发器，可实现信号在短距离内的准确无线传输，且红外收发器的体积较小，重量较轻，容易固定在芯模1的外部，也能够适用于不同规格的芯模1，无需针对芯模1进行结构改造。
该信号连接模块6可在室温至250℃下使用。信号连接模块6的数量为2个，两个芯模集杆2端部的应变采集模块5分别与信号连接模块6相连，信号连接模块6再与测量控制系统7相连，使数据传输更快速准确。
实施例4：
一种复合材料缠绕成型应变在线测量方法，使用如上述所述的复合材料缠绕成型应变在线测量装置，包括以下步骤：
步骤一：测量前确认应变传感器3测试方向；
步骤二：确认应变采集模块5与测量控制系统7通过信号连接模块6连接到位后，完成应变传感器3的校正与归零，开始应变测量；
步骤二：启动复合材料缠绕，直至缠绕成型结束；
步骤三：将已缠绕复合材料的芯模1转移到固化炉中进行旋转固化，再次确认应变采集模块5与测量控制系统7通过信号连接模块6连接到位，再次完成应变传感器3校正与归零，开始应变测量；
步骤四：已缠绕复合材料的芯模1旋转固化结束，停止测量。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述步骤一中，应变传感器3的测试方向为沿芯模1环向或与芯模1轴向夹角为锐角。
当应变传感器3安装在芯模1的内壁表面时，其测试方向沿芯模1环向进行测试。
当应变传感器3安装在芯模1的外壁表面时，其测试方向与芯模1轴向夹角为45°进行。
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述步骤二中，最高固化温度为120℃到200℃。
当应变传感器3安装在芯模1的内壁表面时，最高固化温度为120℃。
当应变传感器3安装在芯模1的外壁表面时，最高固化温度为200℃。
操作方法：
首先根据应变传感器3的安装位置来确定测试方向。
如果应变传感器3安装在芯模1的内壁，测试方向沿着芯模1环向进行测试；如果应变传感器3安装在芯模1的外壁，测试方向与芯模1轴向夹角保持在45°。
启动测量控制系统7，通过信号连接模块6来控制应变采集模块5。
确认有信号连接，代表连接到位，进行下一步应变传感器3的校正工作，确认不同应变传感器3的初始应变相同，依据应变传感器3灵敏系数与应变采集模块5灵敏系数输入校正系数，校正系数为应变采集模块5灵敏系数/应变传感器3灵敏系数，校正后进行归零，将所有应变传感器3显示信号清零后，开始应变测量。
复合材料在芯模1上进行缠绕，期间测量控制系统7检测应变采集模块5采集到的应变传感器3实时测试数据，直至缠绕成型结束。
将缠绕成型的芯模1转移到固化炉中，测量控制系统7再次确认是否有信号连接，确认信号后，对应变传感器3再进行一次校正与归零，然后开始应变测量；
芯模1在固化炉中进行旋转和固化时，测试方向按照应变传感器3的安装位置进行调节。可以实现芯模1表面在不同方向的应变测量，可以实现已缠绕复合材料的芯模1持续旋转时的应变测量，可以实现固化前树脂呈胶液状态时的芯模1应变测量，可以调整固化炉的温度，收集不同温度下的实时测试数据，直到旋转固化结束，停止测量控制系统7，测量工作完成。
综上所述，本发明提供了一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置及方法，能够测试芯模的应变变化规律，掌握芯模的预紧效果，提高缠绕成型张力控制水平，保证复合材料缠绕成型质量与应用。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围。
Claims (10)
1.一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于：包括芯模，所述芯模设有内腔，所述芯模上安装有应变传感器，所述应变传感器通过导线电连接有应变采集模块，所述应变采集模块连接有信号连接模块，所述信号连接模块连接有测量控制系统。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于：所述芯模的两端安装有芯模集杆，所述芯模集杆是中空结构。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于：所述应变传感器安装在所述芯模的内壁，其中一个所述芯模集杆的端部安装有应变采集模块，所述应变传感器通过穿过芯模集杆的所述导线连接所述应变采集模块。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于：所述信号连接模块为滑环连接器。
5.根据权利要求2所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于：所述应变传感器安装在所述芯模的外壁，两个所述芯模集杆的端部分别安装所述应变采集模块，所述应变传感器通过导线电连接所述应变采集模块。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于：所述应变传感器至少设有2个以上，所述导线也设有至少2根以上，所述应变传感器通过所述导线电分别去连接2个所述应变采集模块。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于：所述信号连接模块为红外收发器。
8.一种复合材料缠绕成型应变在线测量方法，使用如权利要求1-7所述的复合材料缠绕成型应变在线测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：测量前确认应变传感器的测试方向；
步骤二：确认应变采集模块与测量控制系统通过信号连接模块连接到位后，完成应变传感器的校正与归零，开始应变测量；
步骤二：启动复合材料缠绕，直至缠绕成型结束；
步骤三：将已缠绕复合材料的芯模转移到固化炉中进行旋转固化，再次确认应变采集模块与测量控制系统通过信号连接模块连接到位，再次完成应变传感器校正与归零，开始应变测量；
步骤四：已缠绕复合材料的芯模旋转固化结束，停止测量。
9.根据权利要求8所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量方法，其特征在于：所述步骤一中，应变传感器测试方向为沿芯模环向或与芯模轴向夹角为锐角。
10.根据权利要求8所述的一种复合材料缠绕成型应变在线测量方法，其特征在于：所述步骤二中，最高固化温度为120℃到200℃。
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