一种用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法
本发明涉及机械加工技术领域中，属于纤维增强复合材料的加工工艺的改进，尤其涉及一种用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法。
背景技术：
不同的硬质材料在加工过程中，由于受到切削过程中力、热的各向异性变化规律影响，表面质量表现会呈现很大的差异。比如纤维增强复合材料表面质量表现出与金属材料完全不同的各向异性，主要体现在表面质量较难保证以及极易发生加工表面缺陷，这也导致了纤维增强复合材料存在难切削加工的特点。
尤其是，纤维增强复合材料加工损伤与金属加工损伤除了在形态和分布上的区别之外，还有复合材料特有的纤维拔出、撕裂、分层等损伤，因此无法沿用大部分的金属零件在制造过程中的表面质量检测方法。
但是，目前对于复合材料表面质量的检测，大多情况下依然采用适用于金属分层的二维轮廓算术平均偏差ra进行检测，而由于复合材料具有不同于金属材料各向异性的特性，研究人员在实践中发现ra不能够充分体现复合材料的表面质量。
技术实现要素：
本发明的实施例提供一种用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法，能够提高纤维增强复合材料的质量检测效果。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
对纤维增强复合材料进行切边加工，得到具有不同程度加工表面分层的标准试样；通过超声波扫描显微镜(sam)检测，获得标准试样中各个分层的分层损伤大小；对标准试样中各个分层的分层损伤大小进行力学性能测试，并得到测试结果，将所述测试结果与无分层样品的力学性能进行对比，得到有分层缺陷的标准试样的力学性能退化程度；根据标准试样中各个分层的分层损伤大小，与有分层缺陷的标准试样的力学性能退化程度，得到质量检测结果，并将所述质量检测结果向人员终端发送并显示。
所述获得各个分层的分层损伤，包括：
获取表层边缘分层损伤、中间层边缘分层损伤和材料内部分层损伤。
所述获取表层边缘分层损伤，包括：
通过
所述获取中间层边缘分层损伤，包括：
通过
所述获取材料内部分层损伤，包括：
通过
所述确定所述纤维增强复合材料加工件的力学性能退化程度，包括：
确定各个分层的分层损伤的损伤影响因子，并通过各个分层的分层损伤的损伤影响因子，获取所述力学性能的退化程度，其中：
所述力学性能的退化程度，通过质量评定因k量化表示，k＝aαs1+bαs2+cαs3，其中，a为表层边缘分层损伤的权重因子，b为中间层边缘分层损伤的权重因子，c为材料内部分层损伤的权重因子。
本实施例提供一种用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法，在数学原理上，应用统计分析的方法，探究多维度的纤维增强复合材料分层损伤与材料力学性能之间的关系，最终实现了，基于材料力学性能的纤维增强复合材料加工的质量检测，无需做破坏性测试(力学性能测试)即可对样件的力学性能是否符合标准要求进行评判。从而对现有的纤维增强复合材料加工工艺提供了有效补充。本实施例中的用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法，可以应用在纤维增强复合材料的初加工、中间件加工和成品加工等各个存在质量检测需要的环节，从而极大程度得提高了加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的设计思路的示意图；
图2为本发明实施例提供的分层损伤实例的检测图；
图3为本发明实施例提供的方法流程的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种可能的系统架构的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供一种用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法，包括：
s1、对纤维增强复合材料进行切边加工，得到具有不同程度加工表面分层的标准试样。
其中，切边加工所的到的同一批次的试样，可以根据表面分层缺陷的层数，划分为多组试样，一些样品组的分层多，有的样品组分层少，视具体实验情况而定。具体的，首先制备纤维增强复合材料无损样件，并在不同参数下分别开展数控铣削加工、砂轮片加工、数控铣削+打磨加工。获得不同加工工艺及参数水平下的加工表面，不同加工工艺及参数水平下的加工表面的损伤程度自然也会不同。
s2、通过超声波扫描显微镜(sam)检测，获得标准试样中各个分层的分层损伤大小。
针对获得的加工表面，根据复合材料不同分层类型设计采样方式、采样面积及采样间隔；采用ksiv400e超声波扫描显微镜(sam)采集分层损伤三维信息，包括分层位置、分层宽度及分层深度；如图2所示的，针对不同特征分层损伤，完成复合材料结构加工表面质量的量化表征。具体的，标准试样可以放在试验台上，或者放置在专用的实验液体中进行检测(实验液体为超纯水)。
s3、对标准试样中各个分层的分层损伤大小进行力学性能测试，并得到测试结果，将所述测试结果与无分层样品的力学性能进行对比，得到有分层缺陷的标准试样的力学性能退化程度。
其中，通过s2准确区分出了有分层缺陷的样品，同一批次的样品当中，也存在无分层缺陷的样品。无分层缺陷的样品则用于第三部的对比分析。
s4、根据标准试样中各个分层的分层损伤大小，与有分层缺陷的标准试样的力学性能退化程度，得到质量检测结果，并将所述质量检测结果向人员终端发送并显示。
其中，质量检测结果包括了，分层损伤大小与力学性能退化程度之间的联系，通常可以量化为质量评定因子。具体在实际应用中，对纤维增强复合材料进行切边加工，得到具有不同程度加工表面分层的标准试样。将试样放置在超声波扫描显微镜(sam)检测，获得试样中各个分层的分层损伤大小。将具有分层缺陷的标准试样进行力学性能测试，并且通过无分层试样的力学性能大小，确实各分层试样的力学性能退化程度。比如拉伸强度、挤压测试等力学性能测试，同时也可以对无分层缺陷的试样进行力学性能测试。第一步加工得到的标准试样中，有分层损伤的标准试样和无分层损伤的标准试样，通过力学性能测试可以将二者的力学性能进行量化，以便于将有分层损伤试样和无分层损伤的试样进行力学性能的量化比较。之后则进一步搭建分层损伤大小与力学性能退化程度之间的联系，这种“联系”可以表现为质量评定因子。
在实际的生产应用中，对纤维增强复合材料加工表面质量进行合理有效的检测是复合材料构件经济性和可靠性的重要保证。
在诸多分层中，分层缺陷是指碳纤维增强复合材料单向层合板加工过程中发生在材料内部的层间结合失效，其被公认为是对材料性能有致命影响的一种缺陷。材料的分层损伤主要包括两种，一种是材料铺层制备过程中气泡或其他制备工艺缺陷形成的内部分层，一种是由机械加工引起的加工边缘分层。对于机械加工引起的加工边缘分层，又可以分为上下表层剥离分层和中间层加工分层。不同形式分层损伤对材料力学性能影响严重程度差异明显。而目前，对于纤维增强复合材料极易出现的不同形式的分层损伤尚未提出有效的检测方法，各种形式的分层缺陷对于加工质量的综合影响作用尚不明确。
此外，复合材料表面形貌特征对其力学性能有重要影响，分析不同形式分层损伤加工表面形貌特征与力学性能之间关系，需要建立一套基于多维分层损伤与力学性能的综合检测方法及质量预测模型，因此，提出一种适用于复合材料表面加工质量的检测方法极为重要。
本实施例应用于机械加工技术领域。借助先进检测仪器，通过对不同加工方式(数控铣削、砂轮片加工以及数控铣削+打磨)与不同加工参数下纤维增强复合材料试样进行加工表面质量三维表征与力学性能测试，并在此基础上，分析不同加工表面形貌特征与力学性能之间关系，提出一种基于纤维增强复合材料力学性能的加工质量评定方法，为后续优化加工工艺及有效可靠的评定加工质量提供依据。
针对现有纤维增强复合材料加工表面质量评定方法的单一性和局限性，本实施例提供一种用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法，在数学原理上，应用统计分析的方法，探究多维度的纤维增强复合材料分层损伤与材料力学性能之间的关系，最终实现了，基于材料力学性能的纤维增强复合材料加工的质量检测。从而对现有的纤维增强复合材料加工工艺提供了有效补充。本实施例中的用于纤维增强复合材料加工的质量检测方法，可以应用在纤维增强复合材料的初加工、中间件加工和成品加工等各个存在质量检测需要的环节，从而极大程度得提高了加工工艺的良品率。
本实施例中，步骤s2中，所述获得各个分层的分层损伤，包括：获取表层边缘分层损伤、中间层边缘分层损伤和材料内部分层损伤。
具体的，所述获取表层边缘分层损伤，包括：
通过
所述获取中间层边缘分层损伤，包括：
通过
所述获取材料内部分层损伤，包括：
通过
本实施例中，步骤s4中，所述确定所述纤维增强复合材料加工件的力学性能退化程度，包括：
确定各个分层的分层损伤的损伤影响因子，并通过各个分层的分层损伤的损伤影响因子，获取所述力学性能的退化程度，其中：
所述力学性能的退化程度，通过质量评定因k量化表示，k＝aαs1+bαs2+cαs3，其中，a为表层边缘分层损伤的权重因子，b为中间层边缘分层损伤的权重因子，c为材料内部分层损伤的权重因子。其中，a、b、c的具体数值根据不同的材料的实际情况，由回归计算得出。例如：一个样件可以得到一组αs1、αs2、αs3，所计算出的值即为对应的拉伸强度退化指标k值，将针对多组样件(各自具有不同表面损伤程度的样件)计算所得的αs1、αs2、αs3以及k值进行多元线性回归，即可以得到αs1、αs2、αs3各自的系数值，即a、b、c。
以表面无损伤的试样为基准，获取不同表面损伤程度的试样的力学性能退化程度；根据力学性能退化的程度大小，判断试样的加工质量是否合格。例如所述根据所述力学性能退化程度，判定所述纤维增强复合材料加工件的加工质量，包括：表面无损伤样件为基准，获取不同表面损伤程度的样件的力学性能退化程度；将所获取的各个样件的力学性能退化程度，与标准值进行对比，力学性能下降的幅度超过标准值的，判定为质量不好。例如：以表面无损伤样件(纤维增强复合材料加工件)的力学性能为基准，求出带不同表面损伤程度样件的力学性能退化程度，可以设置一个标准值，如10％，即力学性能下降超过10％表示质量不好，小于10％算质量好，可根据需求自行拟定。
通过计算损伤影响因子，对多维度分层损伤作为质量评定体系整体中的个体进行逐一分析，再根据多维度分层损伤对纤维增强复合材料力学性能退化的影响程度，确定多维度的分层损伤在评价体系权重因子，然后通过多元统计分析，提出基于纤维增强复合材料分层损伤评价的方法，最终建立基于多维度分层损伤(位置、宽度、深度)的纤维增强复合材料加工质量评定方法。
对试验数据进行统计分析，确定不同形式分层损伤权重因子，实现基于材料力学性能的纤维增强复合材料加工质量评定。例如，可以采用matlab软件对质量评定因子和分层损伤因子的试验数据进行回归分析，获得三种分层损伤的权重因子，完成纤维增强复合材料加工质量评定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，根据具体的应用场景，还可以做出若干改进，例如：将其它材料损伤形式包括撕裂，纤维崩缺纳入加工质量评定影响因子；或者将到剪切强度，疲劳强度等纳入力学性能评价范畴等。
对不同加工参数及加工工艺下的材料进行拉伸强度力学性能测试，测试标准为astmd3039。为评价多维度对纤维增强复合材料力学性能退化的影响程度，以无分层损伤的试样为基准，根据材料力学性能测试结果，计算各种分层损伤下试样的力学性能退化指标k，以此分析不同加工参数下材料表面形貌特征对纤维增强复合材料拉伸强度的影响规律，定义力学性能性能退化指标
式中sb为纤维增强复合材料无损样件的拉伸强度；sd为带有分层损伤的纤维增强复合材料试样的拉伸强度；强度单位均为mpa。
以无分层损伤的试样为基准，根据材料力学性能测试结果，计算分层损伤因子αs，以此分析不同加工参数下的多维度分层损伤对纤维增强复合材料拉伸强度影响程度与影响规律。
定义表层边缘分层损伤损伤影响因子αs1如式(2)所示:
定义中间层边缘分层损伤影响因子αs2如式(3)所示:
定义材料内部分层损伤影响因子αs3如式(4)所示:
式中a为不同位置分层损伤面积；
进一步，根据公式
k＝aαs1+bαs2+cαs3(1)
使用matlab软件对质量评定因子k和分层损伤因子αs1，αs2，αs3的试验数据进行回归分析，获得三种分层损伤的权重因子a，b，c的值，完成纤维增强复合材料加工质量评定。
本实施例中，借助先进检测仪器，通过对不同加工方式(数控铣削、砂轮片加工或数控铣削+打磨)与不同加工参数下纤维增强复合材料试样进行样件多维分层损伤表征与力学性能测试，并在此基础上，分析不同特征分层损伤与力学性能之间关系，提出并建立基于多维度分层损伤与力学性能的综合评价方法及质量预测模型，为合理有效优化加工工艺及有效可靠的评定加工质量提供依据。这与目前只能采用传统二维表面质量评定方法进行复合材料加工质量评价相比，在加工质量评价的有效可靠性方面具有鲜明的特色。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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