CN115979158B - 一种复合材料固化本征应变的反演方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合材料固化本征应变的反演方法，它涉及一种反演方法。本发明为了解决传统的固化仿真方法建模过程复杂，每当需要计算一个制件时，就需要重新建立一个模型进行计算，预测效率极低的问题。本发明的步骤为：步骤一、制作标准板；步骤二、测量固化前光纤波峰；步骤三、热压罐固化成型；步骤四、测量固化后光纤波峰；步骤五、计算固化前后中面应变；步骤六、检测型面；步骤七、生成数字型面和计算曲率；步骤八、测量力学参数；步骤九、反演固化本征应变；步骤十、通过热力耦合仿真验证反演结果。本发明属于复合材料加工制造成型领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种反演方法，属于复合材料加工制造成型领域。
背景技术
树脂基复合材料是适应航空、航天等高科技领域的需要而发展起来的一种高性能复合材料，它具有轻质、高强度和可设计性等优越的性能。热压罐成型工艺(AutoclaveMolding Process)是制造高质量树脂基复合材料构件的主要方法之一，其具有加热温度及固化压力分布均匀，构件的几何形状几乎没有限制，适用范围广的特点。
但是，在使用热压罐制造树脂基复合材料构件时，复合材料构件在经历高温固化成型及冷却过程后，由于复合材料预浸料的热胀冷缩效应，基体树脂的化学反应收缩效应，会在固化过程中产生本征应变，固化本征应变的不匹配致使其在室温下的自由形状与预期的理想形状之间会产生一定程度的不一致,即产生构件的固化变形，而复合材料构件的固化变形对零件外形精度和构件之间的连接匹配会产生极为不利的影响。
因此，在实际使用热压罐制造树脂基复合材料构件前，需要测量复合材料构件的固化本征应变，以便根据测量结果及时对构件的固化变形和残余应力进行预测，以控制变形程度或抵消变形的影响作用。但是，由于固化本征应变难以直接测量，目前也没有相关的测试标准，因此目前主流的对复合材料固化变形和残余应力进行预测的方法仍是通过有限元仿真计算固化过程中的热-化学-力耦合多物理场来实现。这种方式实质上也是利用理论和仿真方法计算固化本征应变，其计算结果具有极大的不稳定和不确定性，原因在于这种仿真方法强烈依赖已经研发出的精确的树脂物理本构模型，固化的全过程都基于该本构模型进行仿真。但是树脂的物理本构极其复杂且难以研究，固化材料参数获取难度大；而且树脂种类繁多，针对每一种树脂研究其本构周期长且成本极高；最后该方法的建模过程复杂，每当需要计算一个制件时，就需要重新建立一个模型进行计算，预测效率极低。
由于这种传统的固化仿真方法成本高且可靠性差，研究一种新的高效快捷且准确的树脂基复合材料固化本征应变的分析测试方法变得越发重要。由于直接测量固化本征应变尚无可利用的仪器技术，因此本发明提出一种理论-试验结合的方式反演复合材料在固化过程中产生的本征应变。
发明内容
本发明为解决传统的固化仿真方法建模过程复杂，每当需要计算一个制件时，就需要重新建立一个模型进行计算，预测效率极低的问题，进而提出一种复合材料固化本征应变的反演方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的步骤为：
步骤一、制作标准板；
步骤二、测量固化前光纤波峰；
步骤三、热压罐固化成型；
步骤四、测量固化后光纤波峰；
步骤五、计算固化前后中面应变；
步骤六、检测型面；
步骤七、生成数字型面和计算曲率；
步骤八、测量力学参数；
步骤九、反演固化本征应变；
步骤十、通过热力耦合仿真验证反演结果。
进一步的，步骤一中制作单向带标准板的过程为：首先制作三个[0n/90n]层合板，n取2，标准板尺寸为200*200mm，预浸料叠层后上方沿纤维方向铺设FBG光纤传感器，应变测量点位于层合板正中，光纤与纤维方向保持严格一致，放在平板模具上，进入热压罐固化后变成圆柱形壳；步骤一中制作织物标准板的过程为：首先制作三个织物/金属层合板，金属是0.5mm的铁片或铝片，织物的经向与标准板长度保持一致，织物总厚度与金属片相同；标准版尺寸为200*200mm。
进一步的，步骤二中测量固化前光纤波峰的过程为：将FBG光纤连接光纤解调仪，测量固化前光纤波峰。
进一步的，步骤三中热压罐固化成型的过程为：将铺好的预浸料放在平板模具上，进入热压罐固化后变成圆柱形壳。
进一步的，步骤四中测量固化后光纤波峰的过程为：将FBG光纤连接光纤解调仪，测量固化后光纤波峰。
进一步的，步骤五中计算固化前后中面应变的过程为：根据公式(1)计算出在特定制造工艺下固化前后的中面应变：
公式(1)中ε表示待测中面应变，Δλ表示固化前后波长差，λ表示中心波长，p表示光纤有效弹光系数。
进一步的，步骤六中检测型面的过程为：通过超声扫描测量工具准确获取标准板型面的位点坐标。
进一步的，步骤七中生成数字型面和计算曲率的过程为：将测量得到的标准板型面的位点坐标导入数据处理软件，生成数字型面，并运用数值方法计算标准板固化后的曲率。
进一步的，步骤八中测量力学参数的过程为：根据国家标准测试方法，进行试验，测试单向带/织物的弹性模量，泊松比和剪切模量。
进一步的，步骤九中反演单向带固化本征应变的过程为：根据公式(2)反算出在特定制造工艺下的固化本征应变：
公式(2)中A11表示拉伸刚度系数A11，A12表示拉伸刚度系数A12，B11表示弯扭刚度系数，D11表示弯曲刚度系数，
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步骤九中反演织物固化本征应变的过程为：根据公式(3)结合金属片的热应变，反算出固化本征应变：
公式(3)中K表示曲率，r表示曲率半径，h表示总厚度，h1表示织物层厚度，h2表示金属层厚度，E1表示织物固化后弹性模量，E2表示金属弹性模量，I1表示织物截面抗弯刚度，I2表示金属截面抗弯刚度，ε1表示织物固化本征应变，ε2表示金属热应变；步骤十中通过热力耦合仿真验证反演结果的过程为：将步骤九中计算得到的固化本征应变代入热力耦合仿真，仿真计算标准板固化后的曲率，并与试验样件进行对比，验证反演结果的正确性。
本发明的有益效果是：相较于现有固化仿真技术和实验方法，本发明通过型面检测和FBG光纤应变测量技术精确的测量标准板的固化曲率和中面固化应变，结合经典层合板理论反演单向带预浸料固化过程中产生的本征应变，结合铁木辛柯双材料梁理论反演织物预浸料固化过程中产生的本征应变。首先这种方法只需要外型和应变测试，不需要用到高精密仪器，操作简便，实验条件要求和成本低，具有较好的泛用性，固化本征应变测试结果可用于同一工艺下的大型复杂复合材料构件的固化变形和残余应力预测，能满足一般加工单位低成本精确预测任意复合材料构件固化变形和残余应力的需求。其次这种方法具有较高的固化本征应变测量精度，因为本方法用到的反演公式是线性公式，在反演过程中不会放大误差，因此不会出现一般情况下“大算小”不准确的问题。最后这种方法采用实验方式代替了固化机理研究，省略了固化材料参数测试，极大地简化了固化变形和残余应力的预测流程，大大降低了预测多种加工工艺下，多种类预浸料固化变形和残余应力的成本。
附图说明
图1是本发明的单向带标准板制备流程示意图。
图2是双材料梁在本征应变驱动下的变形示意图；
图3是本发明的织物标准板制备流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法是通过如下步骤实现的：
步骤一、制作标准板；
步骤二、测量固化前光纤波峰；
步骤三、热压罐固化成型；
步骤四、测量固化后光纤波峰；
步骤五、计算固化前后中面应变；
步骤六、检测型面；
步骤七、生成数字型面和计算曲率；
步骤八、测量力学参数；
步骤九、反演固化本征应变；
步骤十、通过热力耦合仿真验证反演结果。
具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤一中制作单向带标准板的过程为：首先制作三个[0n/90n]层合板，n取2，标准板尺寸为200*200mm，预浸料叠层后上方沿纤维方向铺设FBG光纤传感器，应变测量点位于层合板正中，光纤与纤维方向保持严格一致，放在平板模具上，进入热压罐固化后变成圆柱形壳；步骤一中制作织物标准板的过程为：首先制作三个织物/金属层合板，金属是0.5mm的铁片或铝片，织物的经向与标准板长度保持一致，织物总厚度与金属片相同；标准版尺寸为200*200mm。
具体实施方式三：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤二中测量固化前光纤波峰的过程为：将FBG光纤连接光纤解调仪，测量固化前光纤波峰。
具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤三中热压罐固化成型的过程为：将铺好的预浸料放在平板模具上，进入热压罐固化后变成圆柱形壳。
具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤四中测量固化后光纤波峰的过程为：将FBG光纤连接光纤解调仪，测量固化后光纤波峰。
具体实施方式六：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤五中计算固化前后中面应变的过程为：根据公式(1)计算出在特定制造工艺下固化前后的中面应变：
公式(1)中ε表示待测中面应变，Δλ表示固化前后波长差，λ表示中心波长，p表示光纤有效弹光系数。
具体实施方式七：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤六中检测型面的过程为：通过超声扫描测量工具准确获取标准板型面的位点坐标。
具体实施方式八：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤七中生成数字型面和计算曲率的过程为：将测量得到的标准板型面的位点坐标导入数据处理软件，生成数字型面，并运用数值方法计算标准板固化后的曲率。
具体实施方式九：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤八中测量力学参数的过程为：根据国家标准测试方法，进行试验，测试单向带/织物的弹性模量，泊松比和剪切模量。
具体实施方式十：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料固化本征应变的反演方法的步骤九中反演单向带固化本征应变的过程为：根据公式(2)反算出在特定制造工艺下的固化本征应变：
公式(2)中A11表示拉伸刚度系数A11，A12表示拉伸刚度系数A12，B11表示弯扭刚度系数，D11表示弯曲刚度系数，
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步骤九中反演织物固化本征应变的过程为：根据公式(3)结合金属片的热应变，反算出固化本征应变：
公式(3)中K表示曲率，r表示曲率半径，h表示总厚度，h1表示织物层厚度，h2表示金属层厚度，E1表示织物固化后弹性模量，E2表示金属弹性模量，I1表示织物截面抗弯刚度，I2表示金属截面抗弯刚度，ε1表示织物固化本征应变，ε2表示金属热应变；步骤十中通过热力耦合仿真验证反演结果的过程为：将步骤九中计算得到的固化本征应变代入热力耦合仿真，仿真计算标准板固化后的曲率，并与试验样件进行对比，验证反演结果的正确性。
工作原理
本发明首先利用数字形面检测准确扫描标准板固化后的外形，计算固化后翘曲曲率，利用FBG光纤光栅传感器测试固化前后的中面应变。然后结合经典层合板理论和铁木辛柯双材料梁理论反演固化过程中产生的本征应变。
1、反演单向带固化本征应变的力学原理：
根据经典层合板理论，具有本征应变的层合板的本构为：
其中，
对于正交铺设层合板，
A22＝A11，B22＝-B11，D22＝D11，上式简化为
已有大量研究表明非对称正交铺设层合板固化后为圆柱形，因此可以假设ky＝0，结合最小势能原理，
得到反演固化本征应变的公式：
2、反演织物固化本征应变的力学原理：
根据铁木辛柯双材料梁理论，双材料梁的两个组分的本征应变不同，在外界激励下会由直梁变为曲梁，曲梁的曲率为：
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：所述一种复合材料固化本征应变的反演方法是通过如下步骤实现的：
步骤一、制作标准板；制作单向带标准板的过程为：首先制作三个[0n/90n]层合板，n取2，标准板尺寸为200*200mm，预浸料叠层后上方沿纤维方向铺设FBG光纤传感器，应变测量点位于层合板正中，光纤与纤维方向保持严格一致，放在平板模具上，进入热压罐固化后变成圆柱形壳；步骤一中制作织物标准板的过程为：首先制作三个织物/金属层合板，金属是0.5mm的铁片或铝片，织物的经向与标准板长度保持一致，织物总厚度与金属片相同；标准版尺寸为200*200mm；
步骤二、测量固化前光纤波峰；
步骤三、热压罐固化成型；
步骤四、测量固化后光纤波峰；
步骤五、计算固化前后中面应变；
步骤六、检测型面；
步骤七、生成数字型面和计算曲率；
步骤八、测量力学参数；
步骤九、反演固化本征应变；反演单向带固化本征应变的过程为：根据公式(2)反算出在制造工艺下的固化本征应变：
公式(2)中A11表示拉伸刚度系数A11，A12表示拉伸刚度系数A12，B11表示弯扭刚度系数，D11表示弯曲刚度系数，
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步骤九中反演织物固化本征应变的过程为：根据公式(3)结合金属片的热应变，反算出固化本征应变：
公式(3)中K表示曲率，r表示曲率半径，h表示总厚度，h1表示织物层厚度，h2表示金属层厚度，E1表示织物固化后弹性模量，E2表示金属弹性模量，I1表示织物截面抗弯刚度，I2表示金属截面抗弯刚度，ε1表示织物固化本征应变，ε2表示金属热应变；步骤十中通过热力耦合仿真验证反演结果的过程为：将步骤九中计算得到的固化本征应变代入热力耦合仿真，仿真计算标准板固化后的曲率，并与试验样件进行对比，验证反演结果的正确性；
步骤十、通过热力耦合仿真验证反演结果。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：步骤二中测量固化前光纤波峰的过程为：将FBG光纤连接光纤解调仪，测量固化前光纤波峰。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：步骤三中热压罐固化成型的过程为：将铺好的预浸料放在平板模具上，进入热压罐固化后变成圆柱形壳。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：步骤四中测量固化后光纤波峰的过程为：将FBG光纤连接光纤解调仪，测量固化后光纤波峰。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：步骤五中计算固化前后中面应变的过程为：根据公式(1)计算出在制造工艺下固化前后的中面应变：
公式(1)中ε表示待测中面应变，Δλ表示固化前后波长差，λ表示中心波长，p表示光纤有效弹光系数。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：步骤六中检测型面的过程为：通过超声扫描测量工具准确获取标准板型面的位点坐标。
7.根据权利要求1所述的一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：步骤七中生成数字型面和计算曲率的过程为：将测量得到的标准板型面的位点坐标导入数据处理软件，生成数字型面，并运用数值方法计算标准板固化后的曲率。
8.根据权利要求1所述的一种复合材料固化本征应变的反演方法，其特征在于：步骤八中测量力学参数的过程为：根据国家标准测试方法，进行试验，测试单向带/织物的弹性模量，泊松比和剪切模量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101629859A (zh) * | 2009-05-04 | 2010-01-20 | 付康 | 基于变形测量与数值反求确定薄膜应力的系统与方法 |
| CN105158333A (zh) * | 2015-07-31 | 2015-12-16 | 大连理工大学 | 一种纤维增强树脂基复合材料r区超声检测模型建立方法 |
| CN113221398A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-08-06 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种l型复合材料制件固化变形回弹角的预测方法 |
| CN115470672A (zh) * | 2022-09-13 | 2022-12-13 | 华中科技大学 | 一种空间残余应力重构方法 |
-
2023
- 2023-01-29 CN CN202310043718.8A patent/CN115979158B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101629859A (zh) * | 2009-05-04 | 2010-01-20 | 付康 | 基于变形测量与数值反求确定薄膜应力的系统与方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 热固性碳纤维复合材料热隔膜预成型工程化应用研究;赵学莹等;《纤维复合材料》(第1期);第18-23页 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115979158A (zh) | 2023-04-18 |
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