一种预浸料夹持机构及其层间摩擦行为的测量装置和方法

1.本发明涉及材料加工成型技术领域，特别是涉及一种预浸料夹持机构及其层间摩擦行为的测量装置和方法。


背景技术：

2.先进复合材料有利于减轻重量，提高飞机里程和机动性能。其中，碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高等优势，在飞机产品中用量持续增加，并且呈现出由次承力结构件向主承力结构件、由简单平板构件向复杂曲面构件转变等趋势。热成型是连续纤维增强预浸料的主要成型工艺方法。实际热成型过程中，通常是将若干层预浸料叠加到一定厚度成型以满足最终复合材料构件的刚度和强度要求。然而，预浸料各层之间不可避免的存在相对滑动作用，相关研究表明层间滑动摩擦力对纤维褶皱的产生有重要影响。因此，需要深入理解热成型过程中预浸料层间摩擦行为并对层间摩擦系数进行表征，为成型工艺仿真优化提供材料参数输入，对高性能复合材料成型制造具有重要工程意义。
3.目前，国内外学者在碳纤维/预浸料体系层间滑移机理研究及滑移行为的表征方面做出了一定贡献，在层间摩擦力的检测装置设计方面也积累了一定经验。
4.北京航空航天大学的孙晶等发表的论文《预浸料摩擦滑移特性研究与影响因素分析》，采用自行建立的预浸料摩擦滑移特性测试装置测试分析了温度、压力、相对滑移速率等不同工艺条件和模具种类对碳纤维/预浸料体系的滑移行为进行了预测分析。设备采用多板叠层结构形成夹具，实现加压、加热、保温功能，选择弹簧加压装置对碳纤维/预浸料体系进行横向加压；采用加热片作为热源；通过将设备固定在力学实验机中对层间滑移力进行测定。但是该论文中记载的夹具并不能有效的夹紧预浸料层，导致测量误差较大，且方案中对于实验装置需要依次拧紧螺栓，变形力不易控制均匀。
5.申请公布号为cn 103913413 a的中国专利，西北工业大学的王永军等认为采用弹簧加压的方法误差较大，且采用加热片进行加热不利于保证碳纤维/预浸料体系的受热均匀，不易实现对有效温度的控制。故设计了一种以配重块为加压装置的纵向加压设备，通过重物的重力带动纵向压板实现碳纤维/预浸料体系的均匀受力；通过加热烘箱实现温度控制；通过电子万能试验机力传感器对层间滑移力进行测定。这种设备虽然能够实现均匀施力，易于控制加热温度，但设备体积较大，不便于搬运，且需要体积较大的烘箱才能实现；此外，采用纵向加压设备时，碳纤维/预浸料体系的滑移方向与拉伸机的拉伸方向垂直，故需要借助定滑轮装置改变拉伸机的拉伸方向，实现层间滑移力的测定，导致得到的滑移力数据存在误差，而且，对于预浸料层的夹紧方式存在问题，会进一步的导致测量误差的加大。
6.总结来看，现有的预浸料层间摩擦力测试装置大多采用多板结构形成夹具对预浸料进行固定，存在施力不均、结构复杂、实验结果存在阶段局限性、可推广性不强等问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种预浸料夹持机构及其层间摩擦行为的测量装置和方法，
以解决上述现有技术存在的问题，滑移预浸料中部夹持在连接压块和第一固定板之间，两端部分别贴合在第一固定板的两表面，静止预浸料的端部夹持在第二固定板与第二压块之间，从而分别形成对于滑移预浸料和静止预浸料的有效夹紧，保证相对滑移过程中施力均匀，提高试验结果的精度。
8.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
9.本发明提供一种预浸料夹持机构，所述预浸料包括层间连接的静止预浸料和滑移预浸料，预浸料夹持机构包括滑移预浸料固定模块和静止预浸料固定模块，所述滑移预浸料固定模块包括第一固定板和连接在所述第一固定板端部的连接压块，所述滑移预浸料中部夹持在所述连接压块和所述第一固定板之间，两端部分别贴合在所述第一固定板的两表面；所述静止预浸料固定模块包括第二固定板和连接在所述第二固定板两端部的第二压块，所述静止预浸料的端部夹持在所述第二固定板与所述第二压块之间；所述第一固定板能够带动所述滑移预浸料相对于所述静止预浸料滑移。
10.优选地，所述第一固定板的表面两侧设置有第一压块，两个所述第一压块之间形成所述第二固定板的滑动导槽。
11.本发明提供一种预浸料层间摩擦行为的测量装置，包括前文记载的所述的预浸料夹持机构，还包括侧向加压模块；所述侧向加压模块包括多个导柱以及套设在所述导柱上的施力弹簧，所述施力弹簧的两端分别抵接有能够在所述导柱上滑动的所述静止预浸料固定模块和弹簧推板，所述弹簧推板能够推动多个所述施力弹簧同步向所述静止预浸料固定模块施压。
12.优选地，所述弹簧推板上设置有多个贯穿所述导柱的导向孔。
13.优选地，包括基座模块，所述基座模块包括水平基座和固定在所述水平基座端部的支撑结构，所述支撑结构上设置有用于固定所述导柱的固定结构。
14.优选地，所述第二固定板安装在静止预浸料位置调节板上，所述静止预浸料位置调节板滑动连接在所述水平基座上。
15.优选地，所述连接压块上设置有连接试验机的连接耳片。
16.优选地，所述水平基座上设置有呈u型的限位块，所述限位块卡放在所述水平基座上，用于限定所述静止预浸料位置调节板的位置或所述弹簧推板的位置。
17.本发明还提供一种预浸料层间摩擦行为的测量方法，包括以下步骤：
18.将预浸料的滑移预浸料中部夹持在连接压块和第一固定板之间，滑移预浸料的两端部分别贴合在所述第一固定板的两表面；将预浸料的静止预浸料两端部夹持在第二压块和第二固定板之间；
19.通过侧向加压模块向所述静止预浸料固定模块施加压力，达到预浸料层间的预设压力；
20.拉动所述连接压块，所述滑移预浸料相对于所述静止预浸料滑移，改变预设压力、温度和/或滑移速度条件，得到不同条件下的摩擦力-位移曲线和摩擦系数。
21.优选地，所述侧向加压模块施加压力时，利用弹簧推板推动多个施力弹簧同步施压。
22.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
23.(1)本发明滑移预浸料中部夹持在连接压块和第一固定板之间，两端部分别贴合
在第一固定板的两表面，在通过第一固定板带动滑移预浸料移动时，形成倒u型的滑移预浸料结构并扣合在第一固定板上，能够保证拉力稳定，避免褶皱，同时，静止预浸料的端部夹持在第二固定板与第二压块之间，能够形成两端同时夹紧的结构，也能够保证拉力稳定，避免褶皱，从而分别形成对于滑移预浸料和静止预浸料的有效夹紧，保证相对滑移过程中施力均匀，提高试验结果的精度；
24.(2)本发明第一固定板的表面两侧设置有第一压块，两个第一压块之间形成第二固定板的滑动导槽，也就是说，在拉动固定滑移预浸料的固定板时，固定静止预浸料的固定板能够在滑动导槽内滑动，从而能够形成对于第一固定板和第二固定板相对移动方向的约束，保证其能够在约束的方向内移动，进而能够保证试验结果的准确性；
25.(3)本发明施力弹簧的两端分别抵接有静止预浸料固定模块和弹簧推板，弹簧推板能够推动多个施力弹簧同步向静止预浸料固定模块施压，保证施力均匀性，同时，能够方便快捷的设置滑移预浸料和静止预浸料之间的压力大小，提高操作的便捷性；
26.(4)本发明设置有基座模块，能够将滑移预浸料固定模块和静止预浸料固定模块等结构均安装在基座模块上，从而形成一个可以方便拆卸和安装的结构，并且，依靠基座模块包括的水平基座实现适用于不同烘箱的操作环境；另外，可以通过在第二固定板的内部安装加热片的方式，或者在滑移预浸料固定模块和静止预浸料固定模块之间安装加热片的方式，使得装置在不具备烘箱的环境下同样适用。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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他的附图。
28.图1为本发明整体结构示意图；
29.图2为本发明总装过程示意图；
30.图3为本发明基座模块示意图；
31.图4为本发明水平基座结构示意图；
32.图5为本发明静止预浸料固定模块示意图；
33.图6为本发明滑移预浸料固定模块示意图；
34.图7为本发明侧向加压模块示意图；
35.图8为本发明正压力0.02mpa、相对滑移速度5mm/min、不同温度下的摩擦力-位移曲线；
36.图9为本发明正压力0.02mpa、相对滑移速度5mm/min、不同温度下的摩擦系数；
37.图10为本发明烘箱的保温温度为50℃、相对滑移速度10mm/min、不同正压力下的摩擦力-位移曲线；
38.图11为本发明烘箱的保温温度为50℃、相对滑移速度10mm/min、不同正压力下的摩擦系数；
39.图12为本发明正压力为0.02mpa、温度为50℃、不同相对滑移速度下的摩擦力-位移曲线；
40.图13为本发明正压力为0.02mpa、温度为50℃、不同相对滑移速度下的摩擦系数；
41.其中，1、基座模块；11、支撑结构；12、水平基座；121、滑移槽；122、中心定位孔；13、限位块；2、静止预浸料固定模块；21、静止预浸料位置调节板；22、第二固定板；23、第二压块；3、滑移预浸料固定模块；31、第一固定板；32、第一压块；33、连接压块；34、连接耳片；4、侧向加压模块；41、弹簧推板；42、导柱；43、施力弹簧。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.本发明的目的是提供预浸料夹持机构及其层间摩擦行为的测量装置和方法，以解决现有技术存在的问题，滑移预浸料中部夹持在连接压块和第一固定板之间，两端部分别贴合在第一固定板的两表面，静止预浸料的端部夹持在第二固定板与第二压块之间，从而分别形成对于滑移预浸料和静止预浸料的有效夹紧，保证相对滑移过程中施力均匀，提高试验结果的精度。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.如图1～2、5～6所示，本发明提供一种预浸料夹持机构，此处所说的预浸料根据试验过程中的相对运动状态分为静止预浸料和滑移预浸料，二者层间连接。预浸料夹持机构包括滑移预浸料固定模块3和静止预浸料固定模块2，滑移预浸料固定模块3包括第一固定板31和连接在第一固定板31端部的连接压块33，第一固定板31为板状结构，通过螺钉等可拆卸结构与端部的连接压块33进行连接，连接压块33一方面用来夹持滑移预浸料，一方面用来与试验机进行连接；在夹持滑移预浸料时，将滑移预浸料中部夹持在连接压块33和第一固定板31之间，滑移预浸料两端部分别贴合在第一固定板31的两表面，也就是说，在滑移预浸料被夹持后，其弯折成倒u型结构扣合在第一固定板31上，在连接压块33的带动下，第一固定板31带动倒u型扣合在第一固定板31上的滑移预浸料一同移动。静止预浸料固定模块2包括第二固定板22和连接在第二固定板22两端部的第二压块23，第二固定板22为板状结构，通过螺钉等可拆卸结构与第二固定板22两端部的第二压块23进行连接，第二压块23用来夹持静止预浸料在第二固定板22上；在夹持静止预浸料时，将静止预浸料的两端部分别夹持在第二固定板22的两端部与第二压块23之间，需要说明的是，静止预浸料所夹持的端部与滑移预浸料的移动方向同向，如此一来，能够在滑移预浸料和静止预浸料相对移动时，形成对于滑移预浸料和静止预浸料的均匀支撑，从而能够平整拉伸，避免褶皱。综上，本发明的预浸料夹持机构，能够在第一固定板31的带动下，滑移预浸料相对于静止预浸料滑移，在滑移时，滑移预浸料中部夹持在连接压块33和第一固定板31之间，两端部分别贴合在第一固定板31的两表面，在通过第一固定板31带动滑移预浸料移动时，形成倒u型的滑移预浸料结构，能够保证拉力稳定，避免褶皱，同时，静止预浸料的端部夹持在第二固定板22与第二压块23之间，能够形成两端同时夹紧的结构，也能够保证拉力稳定，避免褶皱，从而分别形成对于滑移预浸料和静止预浸料的有效夹紧，保证相对滑移过程中施力均匀，提高试
验结果的精度。
46.如图6所示，第一固定板31的表面两侧还可以设置有第一压块32，一方面第一压块32可以用来将滑移预浸料夹持在第一压块32和第一固定板31之间，从而进一步的提高滑移预浸料的固定效果，另一方面两个第一压块32之间还可以形成第二固定板22的滑动导槽，也就是说，当夹持有滑移预浸料的第一固定板31相对于夹持有静止预浸料的第二固定板22滑移时，能够在滑动导槽的作用下沿着滑动导槽移动，从而能够形成对于第一固定板31和第二固定板22相对移动方向的约束，保证其能够在约束的方向内移动，进而能够保证试验结果的准确性。
47.如图1～7所示，本发明提供一种预浸料层间摩擦行为的测量装置，可以包括前文记载的预浸料夹持机构，还包括侧向加压模块4。侧向加压模块4包括多个导柱42以及套设在导柱42上的施力弹簧43，其中，多个导柱42可以沿多边形或圆形等形式均匀分布，施力弹簧43能够在导柱42上滑动并可以伸长和缩短，施力弹簧43的两端分别抵接有能够在导柱42上滑动的静止预浸料固定模块2和弹簧推板41，弹簧推板41能够在导柱42上滑动，从而，弹簧推板41能够推动多个施力弹簧43向静止预浸料固定模块2施压，也就是说，通过弹簧推板41能够推动施力弹簧43施加给滑移预浸料和静止预浸料之间一定的压力，进一步的，弹簧推板41能够推动多个施力弹簧43同步向静止预浸料固定模块2施压，保证施力均匀性，同时，能够方便快捷的设置滑移预浸料和静止预浸料之间的压力大小，提高操作的便捷性。弹簧推板41在移动时，可以通过驱动装置进行驱动，并在驱动到位后能够实现限位固定。
48.如图7所示，为实现弹簧推板41在导柱42上的滑动，在弹簧推板41上可以设置有多个贯穿导柱42的导向孔，通过导向孔的设置使得弹簧推板41与导柱42滑动连接。
49.如图3～4所示，还可以包括有基座模块1，基座模块1包括水平基座12和固定在水平基座12端部的支撑结构11，其中，水平基座12为基础承载结构，可以承载支撑结构11以及安装在支撑结构11上的各部件，在水平基座12上还可以设置有中心定位孔122，与之对应的，在第一固定板31上设置有定位销轴，从而在安装滑移预浸料固定模块3时即可以实现对中安装和垂直水平基座12的安装，保证了第一固定板31的垂直度，并保证了在竖直拉伸方向上的对中性。支撑结构11可以为板状结构、框架式结构等形式，通过螺钉、螺栓等方式安装在水平基座12的端部。在支撑结构11上设置有用于固定导柱42的固定结构，该固定结构可以是在支撑结构11上开设的固定孔并通过螺栓结构紧固，或者是通过导柱42端部设置的螺纹与支撑结构11螺纹连接。
50.如图4～5所示，第二固定板22可以安装在静止预浸料位置调节板21上，静止预浸料位置调节板21可以连接有滑块，此处所说的连接，可以是一体成型，也可以是通过焊接、螺钉连接等方式的连接，最终可以形成静止预浸料位置调节板21具有两个凸耳结构(滑块)的形式。滑块滑动连接在水平基座12上，水平基座12上可以设置有容纳滑块的滑移槽121，从而使得静止预浸料位置调节板21能够在水平基座12上进行滑动，在利用侧向加压模块4对静止预浸料固定模块2进行加压时，能够形成导向路径，保证方位移动的精确性，进而提高试验精确度，进一步的，静止预浸料位置调节板21还可以设置有贯穿导柱42的通孔，也就是说，静止预浸料位置调节板21也可以通过导柱42进行导向，需要注意的是，除了导向的作用外，由于导柱42是固定在基座模块1的支撑结构11上的，导柱42也起到了对于静止预浸料位置调节板21的固定作用，也就是说，静止预浸料固定模块2通过导柱42实现了与基座模块
1的固定连接。因此，通过设置有基座模块1，能够将滑移预浸料固定模块3和静止预浸料固定模块2等结构均安装在基座模块1上，从而形成一个可以方便拆卸和安装的整体结构，并且，依靠基座模块1包括的水平基座12实现适用于不同烘箱的操作环境(可以通过更换水平基座12下的固支接头来实现)；另外，还可以采用其他的加热方式，例如，可以利用第二固定板22的内部空间安装加热片(通过第二固定板22的内壁包裹固定)或者在滑移预浸料固定模块3和静止预浸料固定模块2之间安装加热片(通过螺栓、螺钉等固定在其中一个模块上)，使得装置在不具备烘箱的环境下同样适用。
51.如图6所示，在连接压块33上设置有连接试验机的连接耳片34，连接耳片34可以通过螺钉等方式与连接压块33固定连接，通过试验机带动连接耳片34进而带动连接压块33和第一固定板31移动，实现第一固定板31和连接压块33所固定的滑移预浸料的移动。
52.如图1～3所示，水平基座12上设置有呈u型的限位块13，限位块13可以卡放在水平基座12上，在卡放时，可以一个支臂卡放在滑移槽121内，另一个支臂卡放在水平基座12的外壁侧，通过限位块13的设置，用于限定静止预浸料位置调节板21的位置进而限定第二固定板22的位置，还可以限定弹簧推板41的位置，推动弹簧推板41移动的驱动结构可以为螺杆驱动结构，将螺杆安装在支撑结构11上的螺纹孔内，通过旋转螺杆可以实现利用螺杆推动弹簧推板41移动的目的。
53.如图1～7所示，本发明还提供一种预浸料层间摩擦行为的测量方法，可以应用前文记载的预浸料夹持机构，预浸料层间摩擦行为的测量装置，包括以下步骤：
54.将预浸料的滑移预浸料中部夹持在连接压块33和第一固定板31之间，一般的，滑移预浸料可以为条带形式，在固定滑移预浸料的中部后，其两端部可以分别贴合在第一固定板31的两表面；将预浸料的静止预浸料两端部夹持在第二压块23和第二固定板22之间；
55.通过侧向加压模块4向静止预浸料固定模块2施加压力，达到预浸料层间的预设压力；
56.拉动连接压块33，滑移预浸料相对于静止预浸料滑移，改变预设压力、温度和/或滑移速度条件，得到不同条件下的摩擦力-位移曲线和摩擦系数。
57.侧向加压模块4施加压力时，可以利用弹簧推板41推动多个施力弹簧43同步施压。
58.本发明的工作原理如下：
59.在实验过程中，根据实验所需预浸料间正压力的大小n(mpa)确定施力弹簧43的压缩量d，在实验实施过程中严格控制施力弹簧43压缩量大小，单根弹簧压缩量d可通过公式(1)求得。
[0060][0061]
式中，s表示滑移预浸料与单侧静止预浸料之间的实际接触面积，单位为mm2；k表示弹簧的刚度系数，单位为n/mm。
[0062]
当预浸料层间处于边界摩擦状态时，层间摩擦系数μ可用式(2)表示。
[0063][0064]
式中，p是由电子万能试验机传感器测得的力，单位为n。
[0065]
当预浸料层间处于流体润滑摩擦状态时，层间摩擦系数μ可通过与hersey数h进行
线性拟合实现表征。hersey数h可用式(3)表示。
[0066][0067]
式中，η为树脂动力粘度，单位为pa
·
s；ν为预浸料界面的相对滑移速度，单位为mm/s。
[0068]
其中一具体实施例的安装及试验实施过程如下：
[0069]
将滑移预浸料平铺在第一固定板31上，分别用左右两侧第一压块32及连接压块33将滑移预浸料压实固定成倒u型形式，并在连接压块33上固连与电子万能试验机的连接耳片34，完成滑移预浸料固定模块3的安装。将静止预浸料平铺在第二固定板22上，分别用第二固定板22两端部的第二压块23将静止预浸料的两端部进行固定，完成静止预浸料的安装。
[0070]
通过水平基座12的中心定位孔122完成滑移预浸料固定模块3的对中定位，将静止预浸料位置调节板21的滑块放置在滑移槽121内，完成滑移预浸料固定模块3、静止预浸料固定模块2在水平基座12上的安装。
[0071]
当所选预浸料层厚度确定后，静止预浸料位置调节板21在水平基座12上的相对位置随之确定，通过水平基座12滑移槽121和限位块13完成静止预浸料固定模块2的定位安装。
[0072]
将支撑结构11通过螺钉对称安装于水平基座12的两侧，保证其相对于水平基座12的垂直度。
[0073]
将四根导柱42穿过支撑结构11，导柱42上安装有施力弹簧43和弹簧推板41，根据实验所需的法向压力大小及施力弹簧43的刚度系数，推动弹簧推板41至确定位置处，采用限位块13辅助定位，使得四根施力弹簧43产生均匀的变形。
[0074]
装置安装完成后，将基座模块1固连在电子万能试验机底端的连接头上，将滑移预浸料固定模块3的连接耳片34通过试验机配套夹具夹紧。进行摩擦实验时由电子万能试验机带动滑移预浸料固定模块3以恒定速度相对静止预浸料固定模块2向上移动，以电子万能试验机自带的加热烘箱作为热源，由电子万能试验机传感器记录层间滑移力大小。
[0075]
以热固性编织预浸料为例，研究了不同温度、正压力和相对滑移速度下的预浸料层间摩擦行为如下：
[0076]
如图8～9所示，在正压力0.02mpa和相对滑移速度5mm/min的条件，以20℃为加热保温步长，分别将烘箱的温度设定为室温、50℃、70℃和90℃，得到了不同温度下的摩擦力-位移曲线和摩擦系数。实验结果表明，随着温度的升高，碳纤维预浸料的粘度逐渐减小，预浸料铺层间的层间摩擦力显著降低，层间摩擦系数显著减小，此外，随着温度的升高，碳纤维/预浸料体系处于流体润滑摩擦状态所占的比例逐渐升高，层间滑移更加容易。
[0077]
如图10～11所示，设置烘箱的保温温度为50℃，在10mm/min的相对滑移速度条件下，通过调整弹簧推板41的位置，分别得到0.01mpa、0.02mpa和0.03mpa的正压力大小，测定得到不同正压力下的摩擦力-位移曲线和摩擦系数。实验结果表明，随着正压力的增大，稳定阶段预浸料铺层间的摩擦力增加较为显著，而摩擦系数略有减小，且正压力对边界摩擦状态下的摩擦力峰值影响较大。
[0078]
如图12～13所示，在正压力为0.02mpa，温度为50℃时，改变电子万能试验机的拉
伸速度，分别得到相对滑移速度为5mm/min、10mm/min和20mm/min的摩擦力-位移曲线和摩擦系数。实验结果表明，相对滑移速度的变化对预浸料层间摩擦力的影响主要通过影响粘弹性树脂的剪应力影响流体润滑阶段，较低的相对滑移速度有利于预浸料的层间滑移，但相较于温度和正压力的影响，相对滑移速度的影响相对较小。
[0079]
上述实验结果表明，编织碳纤维/预浸料在稳定摩擦阶段的摩擦力呈周期性波动，采用平均摩擦力和平均摩擦系数进行表征。总结来看，本发明的实验装置和实验方法对于不同工艺参数影响下的预浸料层间摩擦行为均能够实现精确表征。且通过摩擦力-位移曲线可以看出，实验装置由于对预压模式进行了改进，稳定阶段出现较早，在一定程度上避免了数据浪费。
[0080]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。