CN116754454A - 一种纤维预成型体渗透率的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维预成型体渗透率的测试装置及测试方法，利用电阻法对纤维预成型体渗透率进行测定，根据构件尺寸的大小在渗透模具上打孔安置液位计，在液位计上交叉排放激发导线和感应导线确定监测点，在监测点两侧施加直流电压，并为该被测点的预成形检测电阻串联参比电阻构成分压电路，测量参比电阻两端的电压，该电压经运放及转换成电信号值，再通过电信号值计算出预成形检测电阻的实际阻值；通过比对预成形检测电阻的标定阈值与预成形检测电阻的实际阻值判断预成型体是否完全渗透，从而确定树脂流动距离与流到对应流动距离所用时间的关系，结合树脂压力从而计算得到预成型体渗透率。

Description

一种纤维预成型体渗透率的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于预成型体渗透率检测的技术领域，涉及一种纤维预成型体渗透率的测试装置及测试方法。

背景技术

复合材料液体成型工艺是指将专用液态低粘度树脂在一定压力下，注入预先放置纤维预成型体的闭合模腔或加热熔化模腔内的树脂膜，树脂流动、浸润纤维预成型体并固化成型的一种先进复合材料工艺方法，该工艺在航天航空领域、汽车、造船、建筑等行业应用日趋广泛。液体成型工艺是一种一步成型的工艺方法，优点是操作灵活，可设计性强，设备和工艺成本较低。由于该工艺生产的构件质量很大程度上依赖于树脂的流动充模过程及其化学固化反应，液体成型工艺自身也存在明显缺点：如树脂流动时间长，模具及工艺设计不当很容易出次品，形成千斑和气泡等典型缺陷，严重影响外观和构件质量。

目前解决液体成型工艺存在问题的方法是对工艺流动过程进行计算机模拟优化，而大多数树脂流动过程模拟分析研究都是以确定纤维预成型体的渗透特性为基础的，所以一种能广泛应用并精确测试纤维预成型体渗透率的方法尤为重要。

纤维预成型体渗透率的获得一般有两种形式：一是通过对纤维种类和织物类型的几何结构建立数学模型，通过模型的计算得到；二是通过实验直接测试得到。两种方法各有利弊。通过建模计算的得到渗透率，可以大大减少实验的工作量，降低实验带来的成本提高和效率降低，但是由于纤维预成型体除与其种类、几何结构有关外，还与表面浸润剂以及纤维的铺放形式，特别是纤维预成型体在合模过程中的结构变形都有直接关系，所以目前没有一个完善的理论模型可以准确计算渗透率；通过实验得到的渗透率比较准确，但是必须经过大量的实验测试。

虽然有许多理论模型计算渗透率参数，但是由于所有模型都将纤维预成型体视为在理想空间单向排列的圆柱体，树脂在纤维中的流动视为在这些刚性圆柱体间隙流动，所以这些模型在实际应用中有很大的局限性。因为在实际纤维预成型体中纤维并非都是单向排列，且在这些模型中并没有考虑表面因素的影响。对许多纤维预成型体如无规纤维连续毡，其实际结构是很难用模型来描述的。因而在液体成型复合材料工艺中，直接测定渗透率参数及选择适当的经验公式加以计算的方法被广泛应用。

常用的渗透率测试模具是用一个玻璃或有机玻璃做盖子以方便观察流体的流动，然而不管用多厚的玻璃或有机玻璃盖子，都需要额外加上一个金属框架防止玻璃破裂或因压力而变形。高纤维体积含量的增强需要刚度很好的模具，有机玻璃盖子上印上环形标志来表征流动前峰的位置，或者用摄像机先拍摄下来，然后再处理相片。流动前峰的压力一般认为就是大气压，这样用于清除空气所加的背压可忽略不计。

这种方法要求模具可视，一般是透明玻璃或塑料板，以观察流动情况，而这种模具一般刚度都较小，这就导致在渗透过程中模具变形较大，影响纤维体积分数，从而测得的纤维预成型体渗透率不精确。而且由于这种方法判别树脂渗透情况都是通过树脂浸润前后纤维颜色的变化来实现的，因此只能够测试干态纤维预成型体的渗透率，并不能够测试半饱和纤维预成型体的渗透率，而且对碳纤维的渗透率的测试也不精确，因为浸润前后，纤维颜色变化不明显。因此在测试纤维预成型体渗透率时，这两种方法都受到一定的限制。

因此，针对现有的纤维预成型体渗透率测试中存在的上述缺陷，本发明公开了一种纤维预成型体渗透率的测试装置及测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维预成型体渗透率的测试装置及测试方法，能够自动高效的测试得出预成型体的渗透率，并且大大提高渗透率的测试精度，同时有效避免传统渗透率测试过程中树脂充模不完全或干斑等缺陷造成渗透率检测不准确的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种纤维预成型体渗透率的测试装置，包括渗透模具，所述渗透模具的渗透成型面上设置有若干监测点，所述监测点处设置有液位计，所述液位计上交叉排放设置有激发导线与感应导线，所述激发导线与感应导线形成预成形检测电阻；所述预成形检测电阻与参比电阻串联，所述参比电阻的两端通过运放转换装置与监控终端连接。

为了更好地实现本发明，进一步的，还包括直流电源，所述直流电源通过输出电压控制器在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加电压。

为了更好地实现本发明，进一步的，还包括压力检测装置，所述压力检测装置用于检测监测点之间的渗透压力差

为了更好地实现本发明，进一步的，所述运放转换装置包括运算放大器与A/D转换芯片，所述运算放大器的输入端与参比电阻连接，所述运算放大器的输出端通过A/D转换芯片与监控终端连接。

一种纤维预成型体渗透率的测试方法，基于纤维预成型体渗透率的测试装置实现，包括以下步骤：

步骤1、在渗透模具的渗透成型面上设置若干监测点，并在监测点处设置液位计，然后安装好激发导线与感应导线；

步骤2、在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加电压，然后检测参比电阻两端的参比电压；参比电压通过运放转换装置转化为电信号值输出至监控终端；

步骤3、采用树脂对渗透模具进行充模，并实时监测所有监测点处的电信号值，并根据电信号值解算当前监测点处的预成形检测电阻的实际阻值；

步骤4、通过对比当前检测点处预成形检测电阻的实际阻值与预成形检测电阻的标定阈值，以判断当前检测点是否被树脂完全渗透；

步骤5、针对被完全渗透的任意两个监测点，采用压力检测装获取两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差，测量两个完全渗透的监测点之间的渗透间距，测量两个完全渗透的监测点之间的渗透时间；

步骤6、根据渗透压力差、渗透间距、渗透时间建立渗透率解算模型，通过渗透率解算模型计算预成型体渗透率。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述渗透率解算模型为：

其中：K表示预成型体渗透率；x表示两个完全渗透的监测点之间的渗透间距；P表示两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差；t表示两个完全渗透的监测点之间的渗透时间；η表示树脂粘度。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述步骤3中通过电信号值解算当前监测点处的预成形检测电阻的实际阻值的计算公式为：

其中：Rx表示预成形检测电阻的实际阻值；U_AD表示A/D转换芯片的基准电压；n表示运算放大器的放大倍数；U_d表示在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加的电压；k表示A/D转换芯片的转换位数；Q表示电信号值；Rc表示参比电阻的阻值。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述预成形检测电阻与参比电阻的两端施加的电压使得电信号值大于等于200。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述参比电阻的阻值数量级为10¹⁰-10¹¹数量级。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过液位计作为监测点处树脂流动前锋的到达以及之后的流动过程的变化信号，再通过激发导线与感应导线之间形成的预成形检测电阻变化准确判断监测点处是否被树脂完全渗透，然后针对被完全渗透的监测点，结合监测点之间的渗透间距、树脂渗透时间、树脂渗透压力差精确解算出预成型体渗透率，为液体成型工艺模拟奠定了坚实的基础；同时大大的提高了预成型体渗透率测试的精确度和自动化程度，有利于指导工艺优化，减少树脂充模不完全或干斑等缺陷，降低废品率，提高产品质量，有效解决树脂基复合材料的生产中存在的产品质量不稳定的问题。

附图说明

图1为纤维预成型体渗透率的测试方法流程图；

图2为纤维预成型体渗透率的测试装置的结构示意图；

图3为运放转换装置的连接电路示意图；

图4为纤维预成型体渗透率的测试装置的连接原理图。

其中：1-渗透模具；2-液位计；3-激发导线；4-感应导线。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种纤维预成型体渗透率的测试装置，如图2所示，包括渗透模具1，所述渗透模具1的渗透成型面上设置有若干监测点，所述监测点处设置有液位计2，所述液位计2上交叉排放设置有激发导线3与感应导线4，所述激发导线3与感应导线4形成预成形检测电阻；所述预成形检测电阻与参比电阻串联，所述参比电阻的两端通过运放转换装置与监控终端连接。

还包括直流电源，所述直流电源通过输出电压控制器在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加电压。还包括压力检测装置，压力检测装置用于检测监测点之间的渗透压力差。

进一步的，所述运放转换装置包括运算放大器与A/D转换芯片，所述运算放大器的输入端与参比电阻连接，所述运算放大器的输出端通过A/D转换芯片与监控终端连接。

实施例2：

本实施例的一种纤维预成型体渗透率的测试方法，基于纤维预成型体渗透率的测试装置实现，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、在渗透模具1的渗透成型面上设置若干监测点，并在监测点处设置液位计2，然后安装好激发导线3与感应导线4；

步骤2、在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加电压，然后检测参比电阻两端的参比电压；参比电压通过运放转换装置转化为电信号值输出至监控终端；

步骤3、采用树脂对渗透模具1进行充模，并实时监测所有监测点处的电信号值，并根据电信号值解算当前监测点处的预成形检测电阻的实际阻值；

步骤4、通过对比当前检测点处预成形检测电阻的实际阻值与预成形检测电阻的标定阈值，以判断当前检测点是否被树脂完全渗透；

步骤5、针对被完全渗透的任意两个监测点，采用压力检测装获取两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差，测量两个完全渗透的监测点之间的渗透间距，测量两个完全渗透的监测点之间的渗透时间；

步骤6、根据渗透压力差、渗透间距、渗透时间建立渗透率解算模型，通过渗透率解算模型计算预成型体渗透率。

具体的：

根据预成型体的尺寸大小在渗透模具1的渗透成型面上纵横交错打孔，在打孔位置安装上液位计2，再在液位计2上不同高度位置打两个轴线交叉的孔，上孔排放激发导线3，下孔排放感应导线4，每个激发导线3和感应导线4的交叉点即为监测点。激发导线3和感应导线4之间形成预成形检测电阻，预成形检测电阻的阻值为Rx。

液位计2上设置有一个透气不透胶的过滤塞，过滤塞既能够保证树脂流入液位计2的内部，又能保证树脂不会从渗透模具1中流出造成浪费。监测点应均匀分布在渗透模具1的渗透成型面上，以便对树脂充模过程进行全面总体监测。

进一步的，监测点的数量为1-256个，且监测点必须包含树脂成型过程中容易发生工艺缺陷的点位。

为预成形检测电阻串联一个参比电阻Rc，参比电阻Rc的阻值选取方法为：首先通过试验大致得到预成型体电阻的试验阻值，试验检测的预成型体电阻的试验阻值并不精确，不能直接代表预成型体电阻的实际阻值Rx。再选出与预成型体电阻的试验阻值在同一数量级相匹配的参比电阻Rc，在参比电阻和与预成型电阻的两端施加直流电压U_d，且保证直流电压U_d的值能使已浸润树脂的检测点处输出的电信号值大于等于200，避免电信号值过小造成误差占比过大。

检测参比电阻Rc的分压U_in，U_in被运算放大器放大输出后为U_out，U_out经A/D转换芯片转换为电信号值后传输到监控终端显示和存储，监控终端包括但不限于监控计算机。

进一步的，参比电阻Rc的阻值数量级为10¹⁰-10¹¹数量级。

根据如图3所示的分压电路图可以得到：

U_out＝n×U_in； (2)

其中：U_in表示参比电阻的分压；R_x表示预成型电阻的实际阻值；R_c表示参比电阻的阻值；U_d表示在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加的电压；U_out表示运算放大器的输出电压；n表示运算放大器的放大倍数；U_AD表示A/D转换芯片的基准电压；k表示A/D转换芯片的转换位数；Q表示电信号值。

以A/D转换芯片的基准电为5v，A/D转换芯片的转换位数为8位转换，结合上述公式(1)-(3)可以得出：

结合(1)-(4)式，得到：

由所采集的电信号值Q，得到：

对渗透模具的渗透成型面进行树脂充模，充模时循环扫描所有监测点处的电信号值，若电信号值发生突变，则表明树脂前锋渗透到达当前监测点处。

按照式(6)通过电信号值解算当前监测点处的预成型电阻的实际阻值Rx，并与预成型电阻的标定阈值进行比对。若预成型电阻的实际阻值Rx大于等于预成型电阻的标定阈值，则表明当前监测点已经被树脂完全渗透，若预成型电阻的实际阻值Rx小于预成型电阻的标定阈值，则表明当前监测点尚未被树脂完全渗透。通过精准解算预成型电阻的实际阻值Rx并与预成型电阻的标定阈值进行比对，进而可以精准判断当前监测点处是否被树脂完全渗透，进而避免了纤维材料渗透树脂时的毛细作用造成的完全渗透判断误差。

假设树脂在两个完全渗透的监测点之间的渗透间距为x，树脂的在两个完全渗透的监测点之间的渗透时间参量用t表示，数值在两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差用P表示，树脂粘度用η表示，预成型体渗透率用K表示，则根据达西定律有：

考虑树脂的一维流动特性，则可以得到：

其中：P表示两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差，x表示两个完全渗透的监测点之间的渗透间距。

进一步的得到：

将式(9)两边同时积分，有：

积分后结果为：

根据式(11)做x²-t曲线，可以得到斜率，在树脂粘度η与两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差P已知的情况下，即可以求得预成型体渗透率K。

借助一维Darcy定律的表达式求纤维铺层的渗透率：根据测得数据作x²-t曲线，对x²-t曲线进行线性拟合，即可求出x²-t曲线的斜率B，然后由下式求预成型体渗透率K：

根据预成型电阻的实际阻值Rx的变化，可以得到x²-t的变化关系，即可计算得到最后的预成型体渗透率K。

如图4所示，纤维预成型体渗透率的测试装置包括预成型体的排布、参比电阻Rc、输出电压控制器、运算放大器、A/D转换芯片、电路控制CPU及PC机，在液位计2上可设置1—16条激发导线3和感应导线4，因此可以构成1-256个监测点，电路控制CPU通过控制信号使输出电压控制器选择1-256个点中的一个或多个，同时经过与参比电阻Rc串接后，施加直流电压，该电压经过运算放大器放大及A/D转换芯片进行转换后，电路控制CPU循环扫描并采集1-256个监测点的电信号值，电路控制CPU为每一条感应导线4单独设置了A/D转换芯片，保证数据转换高速传输，对所有256个监测点处的电信号值循环扫描一次的时间小于等于1秒。

电路控制CPU有控制循环扫描功能，监测时，它对256路监测点的电信号值进行循环扫描，对于未接入的监测点，电信号值将显示为零。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种纤维预成型体渗透率的测试装置，包括渗透模具(1)，其特征在于，所述渗透模具(1)的渗透成型面上设置有若干监测点，所述监测点处设置有液位计(2)，所述液位计(2)上交叉排放设置有激发导线(3)与感应导线(4)，所述激发导线(3)与感应导线(4)形成预成形检测电阻；所述预成形检测电阻与参比电阻串联，所述参比电阻的两端通过运放转换装置与监控终端连接。

2.根据权利要求1所述的一种纤维预成型体渗透率的测试装置，其特征在于，还包括直流电源，所述直流电源通过输出电压控制器在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加电压。

3.根据权利要求2所述的一种纤维预成型体渗透率的测试装置，其特征在于，还包括压力检测装置，所述压力检测装置用于检测监测点之间的渗透压力差。

4.根据权利要求3所述的一种纤维预成型体渗透率的测试装置，其特征在于，所述运放转换装置包括运算放大器与A/D转换芯片，所述运算放大器的输入端与参比电阻连接，所述运算放大器的输出端通过A/D转换芯片与监控终端连接。

5.一种纤维预成型体渗透率的测试方法，基于权利要求1-4任一项所述的纤维预成型体渗透率的测试装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在渗透模具(1)的渗透成型面上设置若干监测点，并在监测点处设置液位计(2)，然后安装好激发导线(3)与感应导线(4)；

步骤2、在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加电压，然后检测参比电阻两端的参比电压；参比电压通过运放转换装置转化为电信号值输出至监控终端；

步骤3、采用树脂对渗透模具(1)进行充模，并实时监测所有监测点处的电信号值，并根据电信号值解算当前监测点处的预成形检测电阻的实际阻值；

步骤4、通过对比当前检测点处预成形检测电阻的实际阻值与预成形检测电阻的标定阈值，以判断当前检测点是否被树脂完全渗透；

步骤5、针对被完全渗透的任意两个监测点，采用压力检测装获取两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差，测量两个完全渗透的监测点之间的渗透间距，测量两个完全渗透的监测点之间的渗透时间；

步骤6、根据渗透压力差、渗透间距、渗透时间建立渗透率解算模型，通过渗透率解算模型计算预成型体渗透率。

6.根据权利要求5所述的一种纤维预成型体渗透率的测试方法，其特征在于，所述渗透率解算模型为：

其中：K表示预成型体渗透率；x表示两个完全渗透的监测点之间的渗透间距；P表示两个完全渗透的监测点之间的渗透压力差；t表示两个完全渗透的监测点之间的渗透时间；η表示树脂粘度。

7.根据权利要求6所述的一种纤维预成型体渗透率的测试方法，其特征在于，所述步骤3中通过电信号值解算当前监测点处的预成形检测电阻的实际阻值的计算公式为：

其中：Rx表示预成形检测电阻的实际阻值；U_AD表示A/D转换芯片的基准电压；n表示运算放大器的放大倍数；U_d表示在预成形检测电阻与参比电阻的两端施加的电压；k表示A/D转换芯片的转换位数；Q表示电信号值；Rc表示参比电阻的阻值。

8.根据权利要求7所述的一种纤维预成型体渗透率的测试方法，其特征在于，所述预成形检测电阻与参比电阻的两端施加的电压使得电信号值大于等于200。

9.根据权利要求8所述的一种纤维预成型体渗透率的测试方法，其特征在于，所述参比电阻的阻值数量级为10¹⁰-10¹¹数量级。