一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合材料力学性能评估领域，尤其涉及一种光纤光栅传感器监测模具 与构件作用力的方法。
【背景技术】
[0002] 碳纤维增强复合材料(CFRP)构件因其优异的性能在航空航天领域得到广泛的应 用。但构件的尺寸稳定性较差，给装配增加了时间和成本。CFRP在固化成型工艺过程中产生 的残余应力会造成构件变形，影响料构件尺寸。正确理解残余应力的形成过程，预测CFRP构 件的变形量，通过修改模具等手段，利用这一部分变形使CFRP构件的最终尺寸符合装配要 求，可以极大地节省制造成本。
[0003] 影响残余应力的很多，包括纤维与树脂热膨胀系数的不匹配、树脂聚合时的化学 收缩、结构与模具的相互作用等。复合材料各向异性的铺层，纤维与树脂热膨胀系数的差 异，树脂化学收缩是影响残余应力的主要因素。但经常可以观察到对称铺层的较薄层合板 也存在翘曲，这是在固化完成后，降温过程中，由于结构与模具的热膨胀系数不同造成的。 在加热过程中，因压力的作用模具与层合板会粘接到一起，模具的膨胀会带动层合板紧靠 模具的部分延伸并在界面上产生一个剪切力，并在厚度方向形成梯度分布，固化完成脱模 后造成弯曲变形。
[0004] 目前，国内针对模具-构件作用力的研究较少，也鲜有公开发表与监测模具-构件 作用力相关的科研成果。中国专利200910011933"复合材料固化残余应变的光纤光栅监测 方法"只提供复合材料构件内部残余应变监测方法，未考虑模具与复合材料构件之间作用 力。国外的Kaushik等人提出了一种测试模具构件间静态与滑动摩擦系数的方法，只解释了 摩擦系数随固化过程的进行而发生变化的原因，未提供模具一构件作用力有效监测方法。 大量针对复合材料结构固化残余应力与变形的研究都忽略了模具的影响，只有考虑模具作 用才能够更加准确地预测变形。因此，如何有效监测复合材料构件与模具之间残余应力，提 高工业仿真模拟精确性，成为亟需解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术中的问题，提供一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力 的方法，用于监测碳纤维增强复合材料成型过程中模具与构件之间的作用力，为定量研究 复合材料残余应力的积累与变化过程奠定基础。该方法可以测试热压罐成型工艺中不同模 具与碳纤维增强复合材料构件之间的作用力，具有操作简单、实时监测、准确性高的特点。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种光纤光栅传感器监测模具 与构件作用力的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，在支撑模具上依次铺放FEP(全氟乙丙 烯)薄膜层、CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层）、模具板、光纤光栅、CFRP构件预成型 材料，并将以上所述FEP薄膜层、CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层）、模具板、光纤光 栅使用真空袋进行整体密封，光纤光栅一端的尾纤与光纤光栅解调仪连接;步骤二，采用热 压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型，成型过程中，用光纤光栅解调仪监测光纤光栅 的反射光谱，记录中心波长的偏移，得到CFRP构件，对该CFRP构件的固化过程应变进行实时 监测;步骤三，计算模具板与CFRP构件之间的脱粘应力和滑动摩擦应力。
[0007] 按上述技术方案，模具板为铝板或殷钢板或碳钢板，模具板的厚度为0.5~1mm。
[0008] 按上述技术方案，光纤光栅的数量为8个，沿模具板的长度方向均匀设置，每个光 纤光栅均通过耐高温胶粘接在模具板的上表面。
[0009] 按上述技术方案，所述光纤光栅一端的尾纤从模具板上表面引出，通过钢套管保 护与光纤光栅解调仪连接。防止光纤在模具板边缘受压折断。
[0010] 按上述技术方案，光纤光栅为中心波长为1545nm或1550nm的裸栅。光纤使用直径 125μηι的光纤。
[0011]按上述技术方案，CFRP构件预成型材料(碳纤维预浸布铺层)的大小与模具板的大 小一致。
[0012]按上述技术方案，所述步骤三中，具体包括，对光纤光栅所测的原始数据进行温度 应变、机械应变解耦，得到模具板表面总应变变化，然后从模具板表面总应变中除去模具板 材质本身的自由热膨胀产生的应变，得到模具板表面机械应变变化。其中，模具板一CFRP构 件之间的脱粘应力Tdebond的计算：
[001 3 ] Tdebond = 2(ε??-￡1) ttoolEtool/Ls
[0014] 式中，ef-ε1为模具板的机械应变变化时峰值与谷值之差；为模具板的厚度； 匕。。:为模具板的弹性模量;Ls为模具板表面的应力传递区域的长度。
[0015] 模具板一 CFRP构件之间的滑动摩擦应力Tsld的计算：
[0017]
为模具板表面的滑动应变随位置的变化率;ttcicil为模具板的厚度;EtocaS 模具板的弹性模量。
[0018] 按上述技术方案，所述步骤二中，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成 型过程中，CFRP构件预成型材料组装(CFRP构件预成型材料组装包括真空袋及其内部的FEP 薄膜层、CFRP构件预成型材料、模具板、光纤光栅组件）与风机出风口相对垂直放置在热压 罐内，确保CFRP构件预成型材料的温度场均匀。
[0019] 本发明产生的有益效果是:本发明方法用于监测碳纤维增强复合材料成型过程中 模具与构件之间的作用力，为定量研究复合材料残余应力的积累与变化过程奠定基础。采 用本发明方法，在不破坏结构的前提下实现对复合材料构件固化成型后的脱粘力和滑动摩 擦力测量，测量值稳定可靠，重复性好，准确性高，实现了复合材料制作过程的在线监测，更 为复合材料残余应力数值仿真模拟提供了依据。
【附图说明】
[0020] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0021] 图1为本发明实施例中光纤光栅在模具板上的粘贴位置示意图；
[0022]图2为本发明实施例中封装实验中CFRP构件预成型材料组装结构示意图；
[0023] 图3为本发明实施例中监测工作时的系统示意图；
[0024] 图4为本发明实施例中模具板表面总应变变化曲线；
[0025] 图5为本发明实施例中模具板本身热膨胀系数测试曲线；
[0026] 图6为本发明实施例中模具板表面机械应变变化曲线；
[0027]其中，1一支撑模具；2-密封胶;3-抽真空管件;4 一全氟乙丙烯薄膜层;5-CFRP 构件预成型材料;6-模具板；7-光纤光栅传感器；8-真空袋;9一钢套管；10-真空栗； 11 一热压罐控制系统；12-热压罐设备;13-光纤光栅解调仪;14 一计算机。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0029] 本发明实施例中，提供一种光纤光栅传感器监测模具与构件作用力的方法，该方 法包括以下步骤，步骤一，在支撑模具上依次铺放FEP(全氟乙丙烯)薄膜层、CFRP构件预成 型材料(碳纤维预浸布铺层）、模具板、光纤光栅，并将以上所述FEP薄膜层、CFRP构件预成型 材料(碳纤维预浸布铺层）、模具板、光纤光栅使用真空袋进行整体密封，光纤光栅一端的尾 纤与光纤光栅解调仪连接;步骤二，采用热压罐工艺对CFRP构件预成型材料进行成型，成型 过程中，用光纤光栅解调仪监测光纤光栅的反射光谱，记录中心波长的偏移，得到CFRP构 件，对该CFRP构件的固化过程应变进行实时监测;步骤三，计算模具板与CF