CN116026756A - 预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置和模型建立方法 - Google Patents

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CN116026756A
CN116026756A CN202211622487.8A CN202211622487A CN116026756A CN 116026756 A CN116026756 A CN 116026756A CN 202211622487 A CN202211622487 A CN 202211622487A CN 116026756 A CN116026756 A CN 116026756A
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CN202211622487.8A
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王立冬
张玄明
彭雄奇
孟帅举
李亮
袁晓霞
胡志鹏
赵新燕
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Lanzhou University of Technology
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Abstract

本发明提供了一种预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置和模型建立方法,装置的中间板(6)上端和基座夹持端(11)分别固定在万能拉力试验机上下夹头中，通过弹簧杆(3)上的弹簧对压板(4)、预浸料固定板(7)和中间板(6)施加法向压力作用，压紧板a(5)和压紧板b(12)分别固定在中间板(6)和预浸料固定板(7)上。通过中间板(6)与预浸料固定板(7)上所固定材料之间相对滑动来测量其间的滑移特性，装置结构简单，加热、施力稳定均匀。模型建立方法引入了相对滑移位移，通过子程序二次开发应用到商业有限元软件中从而改进其层间滑移模型。

Description

预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置和模型建立方法
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术领域，具体是一种预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置和模型建立方法。
背景技术
随着树脂基纤维复合材料的广泛应用，其成型方法也受到广泛关注，该类先进复合材料常用的成型工艺有手糊成型、树脂传递模塑成型、热模压成型和热隔膜成型等，其中使用预浸料进行热隔膜成型时，为了保证良好的成型质量，预浸料层与层之间需要发生适当的层间滑移以保证整个变形的协调性，预浸料与隔离膜以及隔离膜与隔膜之间的适当的切向摩擦特性可避免预浸料在变形过程中产生起皱等行为。
为了研究上述层间滑移行为，国内外学者自主开发了层间滑移测试装置，如Groves、Scherer和Murtagh等人设计的层间滑移测试装置是从复合材料叠层中以恒定大小的速率抽出一层，但不适合测量预浸料/隔离膜和隔离膜/隔膜之间的滑移特性。
发明专利CN103913413A公开了碳纤维预浸料层间滑移力测量装置及测量方法，该方案存在着滑轮与钢丝绳之间的摩擦影响所测量滑移力精确性的缺点；另外该装置利用砝码的重力作用施加法向压力，存在着在较高速率下装置会发生抖动从而造成测量不准确的缺点。发明专利CN111044444A公开了一种复合材料预浸料层间滑移力测量方法，但该方法不能改变加载到被测物体表面上的法向压力，也只能测量固化后预浸料层间的滑移力。
为了克服上述装置和测量方法的局限性，急需开发一种简单通用的层间滑移(摩擦)特性测量装置。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷和不足，提供了一种预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置和模型建立方法。
本发明的目的一是提供一种预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置。所述预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，包括基座组件、法向压力组件、连接杆组件、中间板组件、加热系统和压力测量系统，其特征在于，所述的基座组件包括基座、基座夹持端和内六角螺钉，基座左侧开有螺纹孔，右侧开有通孔，底部开有凹槽，凹槽底部开有沉孔，基座夹持端上开有螺纹孔，通过内六角螺钉将基座夹持端固定到基座上；所述的法向压力施加组件包括压板、预浸料固定板、压紧板b、弹簧杆、弹簧、弹簧垫圈、止滑螺母，压板有两片，第一片开有螺纹孔，第二片开有通孔，预浸料固定板上开有通孔和凹槽，凹槽底部开有螺纹孔，压紧板b上开有沉孔，弹簧杆左端为左旋螺纹，右端为右旋螺纹，使用弹簧杆依次将压板、预浸料固定板、弹簧、弹簧垫圈和止滑螺母装配到一起，弹簧杆左端与左侧压板连接，弹簧杆中间光滑处安装有右侧压板与预浸料固定板，右端螺纹处安装有弹簧和止滑螺母，预浸料固定板上的凹槽与压紧板b属于间隙配合；所述的连接杆组件包括连接杆和螺母，连接杆两端开有方向相反的螺纹，连接杆左侧与基座左侧相连接，右侧与螺母相连接；所述中间板组件包括中间板、压紧板a，中间板上开有通孔，压紧板a共有两片，第一片开有沉孔，第二片开有螺纹孔，通过内六角螺钉将中间板和压紧板a连接在一起。基座的凹槽和中间板是间隙配合关系；所述加热系统包括半导体制冷片和温度传感器，三片定制的半导体制冷片对称放于两块预浸料固定板和一块中间板内部；所述的压力测量系统包括压力传感器和配套的转换和显示设备，压力传感器放置于压板和预浸料固定板中间四个对称位置。温度和压力均采用四通道采集系统，可测量四个不同位置的数据并可在线测试实时输出。
优选地，该装置使用四个弹簧并对称放置，同时压力传感器放置于压板和预浸料固定板(中间四个对称位置，以保证所加载力的均匀性。
优选地，弹簧所施加的力不直接施加到预浸料固定板上而是压板上，以保证压力的均匀传递。
优选地，拉力由标准万能拉力试验机提供，以保证滑移过程的稳定性和拉力的准确性。
优选地，半导体制冷片通过闭合回路实时监测与控制，以弥补加热箱加热的不均匀性。
优选地，弹簧杆上的弹簧根据实际需要进行量程选择。
优选地，实验前通过压力传感器获得的反馈来调整弹簧的压缩距离以保证被测表面压力的均匀性，实验过程中实时记录法向压力。
本发明的目的二是提供一种表征预浸料成型工艺中滑移特性模型建立方法，以上述预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置进行测量后建立模型，其步骤为：
步骤1：根据层间滑移装置大小制备合适尺寸的预浸料、隔膜和隔离膜；
步骤2：使用压紧板b将制备好的预浸料片固定到中间板上；
步骤3：使用压紧板a将制备好的预浸料片固定到预浸料固定板上；
步骤4：使用内六角螺钉将基座夹持端固定到基座上；
步骤5：使用连接杆将底座组件和压板组装到一起；
步骤6：使用弹簧杆和止滑螺母将压板、预浸料固定板、弹簧和弹簧垫圈组装到一起；
步骤7：将中间板放置于两片预浸料固定板中间并置于基座的凹槽中；
步骤8：将基座夹持端装卡到拉力试验机下夹头；
步骤9：调整拉力试验机上夹头到合适位置，将中间板装卡到上夹头；
步骤10：根据压力传感器所示压力值调整弹簧，使压力达到设定的值并使其相等；
步骤11：按照设定程序对工装进行加热，通过温度测量数值的反馈调节半导体制冷片功率使温度均匀；
步骤12：启动拉力试验机进行拉伸，拉力试验机所显示的值即为克服摩擦发生滑移所需的拉力，将其除以名义接触面积即为切向应力；压力测试系统所记录的数值的平均值可作为最终的法向压力；拉力试验机拉伸速度根据试验要求确定，拉伸距离为设定值，滑移过程中拉力-位移数据自动存储到电脑硬盘；
步骤13：如果将预浸料固定板上的预浸料换成隔离膜，即可测量预浸料与隔离膜之间的滑移特性；如果中间板上的预浸料换成隔膜，即可测量隔膜与隔离膜之间的滑移特性；中间板与预浸料固定板上分别替换成预浸料/隔离膜/隔膜即可实现测量不同试样接触面的滑移特性；
步骤14：采用本发明的装置对预浸料/预浸料之间进行滑移性能测试，获得不同温度和法向压力下的切向应力-相对滑移位移曲线；目前通常认为预浸料与预浸料之间的层间滑移行为是库仑摩擦模型和流体动力摩擦模型的组合；其中当两个接触面是固体时，库仑摩擦模型由式(1)表示，当两个接触表面完全被流体分开时，摩擦机制在本质上可完全由流体动力学模型描述，如式(2)所示，切向应力由一个表面在另一个表面上的相对滑移速率、流体粘度和流体膜的厚度决定；
f＝μN    (1)
Figure BDA0004003011850000031
式中：f是摩擦力，μ是摩擦系数，N是摩擦界面的法向压力。τ是剪切应力，η是流体的粘度，d是流体膜的厚度，v是一个表面相对另一个表面的滑移速率；
步骤15：上述模型未将相对滑移位移引入，可使用本发明中的模型来弥补不能完整描述整个过程中的滑移行为的缺点；即依次用式(3)式(4)和式(5)分段来描述切向应力-相对滑移位移曲线中的阶段I(Stage I)、阶段II(Stage II)、阶段III(Stage III)，如图12所示；
τ＝k1d(d＜dy)                        (3)
τ＝p1+p2/d(dy≤d≤dh)               (4)
τ＝τh+k3(d-dh)(d＞dh)                (5)
式中：τ[MPa]是切向应力，d[mm]是相对滑移位，k1[MPa/mm]，p1[MPa]，p2[MPa·mm]，k3[MPa/mm]是模型系数；
步骤16：由式(3)可求得k1，如式(6)；将屈服点和硬化点处对应的坐标值(dy，τy)和(dh，τh)分别代入式(4)后联立求解得到p1和p2，如式(7)和(8)；
Figure BDA0004003011850000041
Figure BDA0004003011850000042
Figure BDA0004003011850000043
步骤17：临界点处的切向应力τy和τh与温度T和法向压力P相关，可用式(9)将特征点处的切向应力与温度和法向压力建立关系；
Figure BDA0004003011850000044
式中：
Figure BDA0004003011850000045
[MPa]，
Figure BDA0004003011850000046
[MPa/℃]，
Figure BDA0004003011850000047
是模型系数；
步骤18：临界点处的相对滑移位移dy和dh与温度T和法向压力P相关，可用式(10)将特征点处的相对滑移位移与温度和法向压力建立关系；
Figure BDA0004003011850000048
式中：
Figure BDA0004003011850000049
[mm]，
Figure BDA00040030118500000410
[mm/℃]，
Figure BDA00040030118500000411
[N/mm]是模型系数；
步骤19：k3与温度和法向压力相关，可用式(11)将k3与温度T和法向压力P建立关系。
k3＝c1+c2T+c3P      (11)
式中：c1[MPa/mm]，c2[mm/℃]，c3[N/mm]是模型系数；
步骤20：使用上述公式对已测得的切向应力-相对滑移位移数据进行非线性拟合确定出模型的所有系数，即：用式(9)和式(10)计算出不同温度下的临界点处的切向应力和相对滑移位移τy、τh、dy和dh；使用式(11)计算出k3，然后将τy、τh、dy和dh代入式(6)、式(7)、式(8)从而确定了k1、p1和p2；最后，联立式(3)、式(4)和式(5)即获得了考虑一定参数范围内(温度、法向压力和位移)影响的预浸料/预浸料层间滑移模型。
本发明的有益效果是，使用本发明中的装置可快速准确对测量同类型或不同类型片状材料之间不同温度、法向压力和拉伸速率工艺参数下的滑移(摩擦)性能，操作简单，无需借用空气压缩机的辅助即可实现法向压力的施加，同时通过巧妙设计的材料固定装置可保证材料的稳定固定。使用本发明的模型建立方法，可将温度显式的引入到模型中，并弥补了现有层间滑移模型未考虑相对滑移位移影响的不足，从而可定量分析温度、法向压力和相对滑移位移对层间滑移性能的影响，也可以作为成型工艺仿真模型中的接触界面模型。
附图说明
图1为装置装结构示意图；图2为基座结构示意图；图3为压板结构示意图；图4为压紧板a结构示意图；图5为中间板结构示意图；图6为预浸料固定板结构示意图；图7为基座夹持端结构示意图；图8为压紧板b结构示意图；图9为层间滑移装置的主视图；图10为图9中A-A线的剖视图；图11为不同接触界面的试样示意图；图12为简化的三段模型；图13为不同温度下的测试结果所对应的预浸料与预浸料的切向应力-相对滑移位移曲线。
其中：1.连接杆 2.基座 3.弹簧杆 4.压板 5.压紧板a 6.中间板 7.预浸料固定板 8.弹簧 9.弹簧垫圈 10.止滑螺母 11.基座夹持端 12.压紧板b
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明进行详细说明。以下实施实例有助于此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。
实施例1
如图1-12所示，是一种预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，包括基座组件、法向压力组件、连接杆组件、中间板组件、加热系统和压力测量系统，所述的基座组件包括基座2、基座夹持端11和内六角螺钉，基座2左侧开有螺纹孔，右侧开有通孔，底部开有凹槽，凹槽底部开有沉孔，基座夹持端11上开有螺纹孔，通过内六角螺钉将基座夹持端11固定到基座2上；所述的法向压力施加组件包括压板4、预浸料固定板7、压紧板b12、弹簧杆3、弹簧8、弹簧垫圈9、止滑螺母10，压板4有两片，第一片开有螺纹孔，第二片开有通孔，预浸料固定板7上开有通孔和凹槽，凹槽底部开有螺纹孔，压紧板b12上开有沉孔，弹簧杆3左端为左旋螺纹，右端为右旋螺纹，使用弹簧杆3依次将压板4、预浸料固定板7、弹簧8、弹簧垫圈9和止滑螺母10装配到一起，弹簧杆3左端与左侧压板4连接，弹簧杆3中间光滑处安装有右侧压板4与预浸料固定板7，右端螺纹处安装有弹簧8和止滑螺母10，预浸料固定板7上的凹槽与压紧板b12属于间隙配合；所述的连接杆组件包括连接杆1和螺母，连接杆1两端开有方向相反的螺纹，连接杆左侧与基座2左侧相连接，右侧与螺母相连接；所述中间板组件包括中间板6、压紧板a5，中间板6上开有通孔，压紧板a5共有两片，第一片开有沉孔，第二片开有螺纹孔，通过内六角螺钉将中间板6和压紧板a连接在一起。基座2的凹槽和中间板6是间隙配合关系；所述加热系统包括半导体制冷片和温度传感器，三片定制的半导体制冷片对称放于两块预浸料固定板7和一块中间板6内部；所述的压力测量系统包括压力传感器和配套的转换和显示设备，压力传感器放置于压板4和预浸料固定板7中间四个对称位置。温度和压力均采用四通道采集系统，可测量四个不同位置的数据并可在线测试实时输出。
优选地，该装置使用四个弹簧8并对称放置，同时压力传感器放置于压板4和预浸料固定板7中间四个对称位置，以保证所加载力的均匀性。
优选地，弹簧8所施加的力不直接施加到预浸料固定板7上而是压板4上，以保证压力的均匀传递。
优选地，拉力由标准万能拉力试验机提供，以保证滑移过程的稳定性和拉力的准确性。
优选地，半导体制冷片通过闭合回路实时监测与控制，以弥补加热箱加热的不均匀性。
优选地，弹簧杆3上的弹簧8根据实际需要进行量程选择。
优选地，实验前通过压力传感器获得的反馈来调整弹簧8的压缩距离以保证被测表面压力的均匀性，实验过程中实时记录法向压力。
实施例2
本发明还提供了一种表征预浸料成型工艺中滑移特性模型建立方法，以上所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置进行测量后建立模型，其步骤为：
步骤1：根据层间滑移装置大小制备合适尺寸的预浸料、隔膜和隔离膜；
步骤2：使用压紧板b12将制备好的预浸料片固定到中间板6上；
步骤3：使用压紧板a5将制备好的预浸料片固定到预浸料固定板7上；
步骤4：使用内六角螺钉将基座夹持端11固定到基座2上；
步骤5：使用连接杆1将底座组件和压板4组装到一起；
步骤6：使用弹簧杆3和止滑螺母10将压板4、预浸料固定板7、弹簧8和弹簧垫圈9组装到一起；
步骤7：将中间板6放置于两片预浸料固定板7中间并置于基座2的凹槽中；
步骤8：将基座夹持端11装卡到拉力试验机下夹头；
步骤9：调整拉力试验机上夹头到合适位置，将中间板6装卡到上夹头；
步骤10：根据压力传感器所示压力值调整弹簧8，使压力达到设定的值并使其相等；
步骤11：按照设定程序对工装进行加热，通过温度测量数值的反馈调节半导体制冷片功率使温度均匀；
步骤12：启动拉力试验机进行拉伸，拉力试验机所显示的值即为克服摩擦发生滑移所需的拉力，将其除以名义接触面积即为切向应力；压力测试系统所记录的数值的平均值可作为最终的法向压力；拉力试验机拉伸速度根据试验要求确定，拉伸距离为设定值，滑移过程中拉力-位移数据自动存储到电脑硬盘；
步骤13：如果将预浸料固定板7上的预浸料换成隔离膜，即可测量预浸料与隔离膜之间的滑移特性；如果中间板6上的预浸料换成隔膜，即可测量隔膜与隔离膜之间的滑移特性；中间板6与预浸料固定板7上分别替换成预浸料/隔离膜/隔膜即可实现测量不同试样接触面的滑移特性，如图11所示；
步骤14：采用本发明的装置对预浸料/预浸料之间进行滑移性能测试，获得不同温度和法向压力下的切向应力-相对滑移位移曲线；目前通常认为预浸料与预浸料之间的层间滑移行为是库仑摩擦模型和流体动力摩擦模型的组合；其中当两个接触面是固体时，库仑摩擦模型由式(1)表示，当两个接触表面完全被流体分开时，摩擦机制在本质上可完全由流体动力学模型描述，如式(2)所示，切向应力由一个表面在另一个表面上的相对滑移速率、流体粘度和流体膜的厚度决定；
f＝μN      (1)
Figure BDA0004003011850000071
式中：f是摩擦力，μ是摩擦系数，N是摩擦界面的法向压力。τ是剪切应力，η是流体的粘度，d是流体膜的厚度，v是一个表面相对另一个表面的滑移速率；
步骤15：上述模型未将相对滑移位移引入，可使用本发明中的模型来弥补不能完整描述整个过程中的滑移行为的缺点；即依次用式(3)式(4)和式(5)分段来描述切向应力-相对滑移位移曲线中的阶段I(Stage I)、阶段II(Stage II)、阶段III(Stage III)，如图12所示；
τ＝k1d(d＜dy)                  (3)
τ＝p1+p2/d(d3≤d≤dh)         (4)
τ＝τh+k3(d-dh)(d＞dh)                    (5)
式中：τ[MPa]是切向应力，d[mm]是相对滑移位，k1[MPa/mm]，p1[MPa]，p2[MPa·mm]，k3[MPa/mm]是模型系数；
步骤16：由式(3)可求得k1，如式(6)；将屈服点和硬化点处对应的坐标值(dy，τy)和(dh，τh)分别代入式(4)后联立求解得到p1和p2，如式(7)和(8)；
Figure BDA0004003011850000081
Figure BDA0004003011850000082
Figure BDA0004003011850000083
步骤17：临界点处的切向应力τy和τh与温度T和法向压力P相关，可用式(9)将特征点处的切向应力与温度和法向压力建立关系；
Figure BDA0004003011850000084
式中：
Figure BDA0004003011850000085
[MPa]，
Figure BDA0004003011850000086
[MPa/℃]，
Figure BDA0004003011850000087
是模型系数；
步骤18：临界点处的相对滑移位移dy和dh与温度T和法向压力P相关，可用式(10)将特征点处的相对滑移位移与温度和法向压力建立关系；
Figure BDA0004003011850000088
式中：
Figure BDA0004003011850000089
[mm]，
Figure BDA00040030118500000810
[mm/℃]，
Figure BDA00040030118500000811
[N/mm]是模型系数；
步骤19：k3与温度和法向压力相关，可用式(11)将k3与温度T和法向压力P建立关系。
k3＝c1+c2T+c3P     (11)
式中：c1[MPa/mm]，c2[mm/℃]，c3[N/mm]是模型系数；
步骤20：使用上述公式对已测得的切向应力-相对滑移位移数据进行非线性拟合确定出模型的所有系数，即：用式(9)和式(10)计算出不同温度下的临界点处的切向应力和相对滑移位移τy、τh、dy和dh；使用式(11)计算出k3，然后将τy、τh、dy和dh代入式(6)、式(7)、式(8)从而确定了k1、p1和p2；最后，联立式(3)、式(4)和式(5)即获得了考虑一定参数范围内(温度、法向压力和位移)影响的预浸料/预浸料层间滑移模型。
实施例3
下面用实施例进一步展开本发明的技术内容。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。本发明测量碳纤维预浸料层间滑移性能的步骤如下：
步骤1：根据层间滑移装置大小制备尺寸为长100宽80mm和长150mm宽80mm大小的预浸料；
步骤2：使用压紧板b12将制备好的长150mm宽80mm预浸料片固定到中间板6上；
步骤3：使用压紧板a5将制备好的长100宽80mm预浸料片固定到预浸料固定板7上；
步骤4：使用内六角螺钉将基座夹持端11固定到基座2上；
步骤5：使用连接杆1将底座组件和压板4组装到一起；
步骤6：使用弹簧杆3和止滑螺母10将压板4、预浸料固定板7、弹簧8和弹簧垫圈9组装到一起；
步骤7：将中间板6放置于两片预浸料固定板7中间并置于基座2的凹槽中；
步骤8：将基座夹持端11装卡到拉力试验机下夹头；
步骤9：调整拉力试验机上夹头到合适位置，将中间板6装卡到上夹头；
步骤10：根据压力传感器所示压力值调整弹簧8，使压力达到设定的值并使其相等；
步骤11：按照设定程序对工装进行加热，通过温度测量数值的反馈调节半导体制冷片功率使温度均匀；
步骤12：启动拉力试验机进行拉伸，拉力试验机所显示的值即为克服摩擦发生滑移所需的拉力，将其除以名义接触面积即为切向应力；压力测试系统所记录的数值的平均值可作为最终的法向压力；拉力试验机拉伸速度根据试验要求确定，拉伸距离为设定值，滑移过程中拉力-位移数据自动存储到电脑硬盘；
步骤13：如果将预浸料固定板7上的预浸料换成隔离膜，即可测量预浸料与隔离膜之间的滑移特性；如果中间板6上的预浸料换成隔膜，即可测量隔膜与隔离膜之间的滑移特性；中间板6与预浸料固定板7上分别替换成预浸料/隔离膜/隔膜即可实现测量不同试样接触面的滑移特性，如图11所示；
步骤14：采用本发明的装置对预浸料/预浸料之间进行滑移性能测试，获得速率1mm/min、不同温度(60℃、70℃、80℃、90℃)和法向压力(0.002MPa、0.004MPa)下的切向应力-相对滑移位移曲线，如图13所示；目前通常认为预浸料与预浸料之间的层间滑移行为是库仑摩擦模型和流体动力摩擦模型的组合；其中当两个接触面是固体时，库仑摩擦模型由式(1)表示，当两个接触表面完全被流体分开时，摩擦机制在本质上可完全由流体动力学模型描述，如式(2)所示，切向应力由一个表面在另一个表面上的相对滑移速率、流体粘度和流体膜的厚度决定；
f＝μN     (1)
Figure BDA0004003011850000101
式中：f是摩擦力，μ是摩擦系数，N是摩擦界面的法向压力。τ是剪切应力，η是流体的粘度，d是流体膜的厚度，v是一个表面相对另一个表面的滑移速率；
步骤15：上述模型未将相对滑移位移引入，可使用本发明中的模型来弥补不能完整描述整个过程中的滑移行为的缺点；即依次用式(3)式(4)和式(5)分段来描述切向应力-相对滑移位移曲线中的阶段I(Stage I)、阶段II(Stage II)、阶段III(Stage III)，如图12所示；
τ＝k1d(d＜dy)              (3)
τ＝p1+p2/d(dy≤d≤dh)        (4)
τ＝τh+k3(d-dh)(d＞dh)           (5)
式中：τ[MPa]是切向应力，d[mm]是相对滑移位，k1[MPa/mm]，p1[MPa]，p2[MPa·mm]，k3[MPa/mm]是模型系数；
步骤16：由式(3)可求得k1，如式(6)；将屈服点和硬化点处对应的坐标值(dy，τy)和(dh，τh)分别代入式(4)后联立求解得到p1和p2，如式(7)和(8)；
Figure BDA0004003011850000111
Figure BDA0004003011850000112
Figure BDA0004003011850000113
步骤17：临界点处的切向应力τy和τh与温度T和法向压力P相关，可用式(9)将特征点处的切向应力与温度和法向压力建立关系。对图13中的数据进行非线性拟合，可求得对应的模型系数及评价指标：均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)，如表1所示。将拟合得到的模型系数代入式(9)即可得获得临界点处的切向应力值；
Figure BDA0004003011850000114
式中：
Figure BDA0004003011850000115
[MPa]，
Figure BDA0004003011850000116
[MPa/℃]，
Figure BDA0004003011850000117
是模型系数；
步骤18：临界点处的相对滑移位移dy和dh与温度T和法向压力P相关，可用式(10)将特征点处的相对滑移位移与温度和法向压力建立关系。对图13中的数据进行非线性拟合，可求得对应的模型系数及评价指标：均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)，如表1所示。将拟合得到的模型系数代入式(9)即可得获得临界点处的相对滑移位移值；
Figure BDA0004003011850000118
式中：
Figure BDA0004003011850000119
[mm]，
Figure BDA00040030118500001110
[mm/℃]，
Figure BDA00040030118500001111
[N/mm]是模型系数；
表1式(9)和式(10)中的模型系数
Figure BDA0004003011850000121
步骤19：k3与温度和法向压力相关，可用式(11)将k3与温度T和法向压力P建立关系；
k3＝c1+c2T+c3P      (11)
式中：c1＝-2.57e-7[MPa/mm]，c2＝4.76e-6[mm/℃]，c3＝0.056[N/mm]是模型系数；
步骤20：将求得的τy、τh、dy和dh代入式(6)、式(7)、式(8)即可确定k1、p1和p2，再联立式(3)、式(4)和式(5)即获得了考虑一定参数范围内(温度、法向压力和位移)影响的预浸料/预浸料层间滑移模型。
以上仅为本专利的具体实施例，但本专利的技术特征并不局限于此。任何以此为基础，以此为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本专利的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，其特征在于所述测量装置包括基座组件、法向压力组件、连接杆组件、中间板组件、加热系统和压力测量系统：所述的基座组件包括基座(2)、基座夹持端(11)和内六角螺钉，基座(2)左侧开有螺纹孔，右侧开有通孔，底部开有凹槽，凹槽底部开有沉孔，基座夹持端(11)上开有螺纹孔，通过内六角螺钉将基座夹持端(11)固定到基座(2)上；所述的法向压力施加组件包括压板(4)、预浸料固定板(7)、压紧板b(12)、弹簧杆(3)、弹簧(8)、弹簧垫圈(9)、止滑螺母(10)，压板(4)有两片，第一片开有螺纹孔，第二片开有通孔，预浸料固定板(7)上开有通孔和凹槽，凹槽底部开有螺纹孔，压紧板b(12)上开有沉孔，弹簧杆(3)左端为左旋螺纹，右端为右旋螺纹，使用弹簧杆(3)依次将压板(4)、预浸料固定板(7)、弹簧(8)、弹簧垫圈(9)和止滑螺母(10)装配到一起，弹簧杆(3)左端与左侧压板(4)连接，弹簧杆(3)中间光滑处安装有右侧压板(4)与预浸料固定板(7)，右端螺纹处安装有弹簧(8)和止滑螺母(10)，预浸料固定板(7)上的凹槽与压紧板b(12)属于间隙配合；所述的连接杆组件包括连接杆(1)和螺母，连接杆(1)两端开有方向相反的螺纹，连接杆左侧与基座(2)左侧相连接，右侧与螺母相连接；所述中间板组件包括中间板(6)、压紧板a(5)，中间板(6)上开有通孔，压紧板a(5)共有两片，第一片开有沉孔，第二片开有螺纹孔，通过内六角螺钉将中间板(6)和压紧板(a)连接在一起。基座(2)的凹槽和中间板(6)是间隙配合关系；所述加热系统包括半导体制冷片和温度传感器，三片定制的半导体制冷片对称放于两块预浸料固定板(7)和一块中间板(6)内部；所述的压力测量系统包括压力传感器和配套的转换和显示设备，压力传感器放置于压板(4)和预浸料固定板(7)中间四个对称位置，温度和压力均采用四通道采集系统，可测量四个不同位置的数据并可在线测试实时输出。
2.根据权利要求1所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，其特征在于所述测量装置使用四个弹簧(8)并对称放置，同时压力传感器放置于压板(4)和预浸料固定板(7)中间四个对称位置。
3.根据权利要求1所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，其特征在于所述弹簧(8)所施加的力施加到压板(4)上。
4.根据权利要求1所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，其特征在于所述拉力由标准万能拉力试验机提供。
5.根据权利要求1所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，其特征在于所述半导体制冷片通过闭合回路实时监测与控制。
6.根据权利要求1所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，其特征在于所述弹簧杆(8)根据实际需要进行量程选择。
7.根据权利要求1所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置，其特征在于实验前通过压力传感器获得的反馈来调整弹簧(8)的压缩距离，实验过程中实时记录法向压力。
8.通过权利要求1所述的预浸料成型工艺中滑移特性的测量装置测量的模型建立方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤(1)：根据层间滑移装置大小制备合适尺寸的预浸料、隔膜和隔离膜；
步骤(2)：使用压紧板b(12)将制备好的预浸料片固定到中间板(6)上；
步骤(3)：使用压紧板a(5)将制备好的预浸料片固定到预浸料固定板(7)上；
步骤(4)：使用内六角螺钉将基座夹持端(11)固定到基座(2)上；
步骤(5)：使用连接杆(1)将底座组件和压板(4)组装到一起；
步骤(6)：使用弹簧杆(3)和止滑螺母(10)将压板(4)、预浸料固定板(7)、弹簧(8)和弹簧垫圈(9)组装到一起；
步骤(7)：将中间板(6)放置于两片预浸料固定板(7)中间并置于基座(2)的凹槽中；
步骤(8)：将基座夹持端(11)装卡到拉力试验机下夹头；
步骤(9)：调整拉力试验机上夹头到合适位置，将中间板(6)装卡到上夹头；
步骤(10)：根据压力传感器所示压力值调整弹簧(8)，使压力达到设定的值并使其相等；
步骤(11)：对工装进行加热，通过温度测量数值的反馈调节半导体制冷片功率使温度均匀；步骤(12)：启动拉力试验机进行拉伸，拉力试验机所显示的值为克服摩擦发生滑移所需的拉力，将其除以名义接触面积即为切向应力；压力测试系统所记录的数值的平均值可作为最终的法向压力；拉力试验机拉伸速度根据试验要求确定，拉伸距离为设定值，滑移过程中拉力-位移数据自动存储到电脑硬盘；
步骤(13)：将预浸料固定板(7)上的预浸料换成隔离膜，可测量预浸料与隔离膜之间的滑移特性；将中间板(6)上的预浸料换成隔膜，可测量隔膜与隔离膜之间的滑移特性；中间板(6)与预浸料固定板(7)上分别替换成预浸料或隔离膜或隔膜可测量不同试样接触面的滑移特性；
步骤(14)：对预浸料/预浸料之间进行滑移性能测试，获得不同温度和法向压力下的切向应力-相对滑移位移曲线；预浸料与预浸料之间的层间滑移行为是库仑摩擦模型和流体动力摩擦模型的组合；其中当两个接触面是固体时，库仑摩擦模型由公式(a)表示，当两个接触表面完全被流体分开时，摩擦机制在本质上可完全由流体动力学模型描述，由公式(b)表示，切向应力由一个表面在另一个表面上的相对滑移速率、流体粘度和流体膜的厚度决定；
f＝μN    (a)
Figure FDA0004003011840000031
公式中：f是摩擦力，μ是摩擦系数，N是摩擦界面的法向压力，τ是剪切应力，η是流体的粘度，d是流体膜的厚度，v是一个表面相对另一个表面的滑移速率；
步骤(15)：依次用公式(c)公式(d)和公式(e)分段来描述切向应力-相对滑移位移曲线中的阶段I、阶段II、阶段III：
τ＝k1d(d＜dy)    (c)
τ＝p1+p2/d(dy≤d≤dh)    (d)
τ＝τh+k3(d-dh)(d＞dh)    (e)
公式中：τ[MPa]是切向应力，d[mm]是相对滑移位，k1[MPa/mm]，p1[MPa]，p2[MPa·mm]，k3[MPa/mm]是模型系数；
步骤(16)：由公式(c)可求得k1，得公式(f)，将屈服点和硬化点处对应的坐标值(dy，τy)和(dh，τh)分别代入公式(d)后联立求解得到p1和p2，得公式(g)和(h)：
Figure FDA0004003011840000041
Figure FDA0004003011840000042
Figure FDA0004003011840000043
步骤(17)：临界点处的切向应力τy和τh与温度T和法向压力P相关，可用公式(i)将特征点处的切向应力与温度和法向压力建立关系：
Figure FDA0004003011840000044
公式中：
Figure FDA0004003011840000045
[MPa]，
Figure FDA0004003011840000046
[MPa/℃]，
Figure FDA0004003011840000047
是模型系数；
步骤(18)：临界点处的相对滑移位移dy和dh与温度T和法向压力P相关，用公式(j)将特征点处的相对滑移位移与温度和法向压力建立关系：
Figure FDA0004003011840000048
公式中：
Figure FDA0004003011840000049
[mm]，
Figure FDA00040030118400000410
[mm/℃]，
Figure FDA00040030118400000411
[N/mm]是模型系数；
步骤(19)：k3与温度和法向压力相关，可用公式(k)将k3与温度T和法向压力P建立关系：
k3＝c1+c2T+c3P    (k)
公式中：c1[MPa/mm]，c2[mm/℃]，c3[N/mm]是模型系数：
步骤(20)：使用上述公式对已测得的切向应力-相对滑移位移数据进行非线性拟合确定出模型的所有系数，即：用式(i)和式(j)计算出不同温度下的临界点处的切向应力和相对滑移位移τy、τh、dy和dh；使用公式(k)计算出k3，然后将τy、τh、dy和dh代入公式(f)、公式(g)、公式(h)从而确定了k1、p1和p2；最后，联立公式(c)、公式(d)和公式(e)可获得温度、法向压力或位移范围内影响的预浸料与预浸料层间滑移模型。
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