CN107478189B - 一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于层合板载荷‑变形映射关系的测量装置及方法，通过变形量监测辅助组件将层合板的变形量转化为位移传感器的位移量，此转化过程简明清晰，通过滑块与直线导轨的配合可实现层合板上不同位置处变形量的测量；在每个可调加压组件上对称地设计两个螺纹推杆，可以通过分别调节两个螺纹推杆调整聚氨酯压块的压紧姿态，以便适应被测复合材料层合板表面不同曲率。

Description

一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置及方法，属于精密仪器领域。
背景技术
复合材料层合板以其良好的力学特性在航空、航天、船舶、汽车等领域具有越来越广泛的应用。然而，由于大尺寸复合材料层合板刚度低，其在装配过程中受装配力的影响会发生显著变形。结构变形将严重影响结构的外形精度，是产品超差的一大隐患；另外，结构变形往往伴随着结构内部产生非均匀应力的现象，非均匀应力将使结构内部出现应力集中现象，当结构在工作中承受运动载荷的情况下，非均匀应力将严重影响结构的可靠性，甚至使材料结构失效。因此，准确获取复合材料层合板装配载荷和变形量之间的映射关系，基于该映射关系修正有限元仿真模型，进而通过有限元仿真模型分析结构可承受的最大载荷，为实际生产提供理论依据，对预防结构因过变形而失效具有重要意义。目前，尚不存在复合材料层合板载荷-变形映射关系的测量装置，因此上述问题一直被忽视，尚未解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：为克服现有技术的不足，提供了一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置及方法，通过变形量监测辅助组件将层合板的变形量转化为位移传感器的位移量，实现层合板上不同位置处变形量的测量。
本发明的技术解决方案：
一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，包括基座、仿形支撑块、直线导轨I、加压支撑架组件、可调加压组件、压力传感器、变形量监测支撑架组件、位移传感器和变形量监测辅助组件，
仿形支撑块为至少4个可拼接的聚氨酯块体，将聚氨酯块体固定连接于基座上，形成与层合板形状相同的以支撑层合板的仿形底托；
直线导轨I对称设置在基座的两侧，并且加压支撑架组件可在直线导轨I上滑动，可调加压组件可在加压支撑架组件的横梁II上滑动，实现对层合板上任意点的加压；
压力传感器上方贴合于可调加压组件下方，压力传感器下方压紧在层合板上，通过操作可调加压组件将压力作用在压力传感器上，获得作用在层合板上的压力值；
变形量监测支撑架组件与基座固定连接，位移传感器上端与变形量监测支撑架组件下端连接；
变形量监测辅助组件上端与位移传感器的下端连接，变形量监测辅助组件的底座粘接在层合板上，
通过变形量监测辅助组件将层合板的变形量转化为位移传感器的位移量，实现层合板上不同位置处变形量的测量。
分别设计阴模仿形支撑块和阳模仿形支撑块，基于层合板的放置情况，选择与之匹配的阴模仿形支撑块或阳模仿形支撑块。
加压支撑架组件包括数量一致的滑块I和横梁I，其中1个滑块I和1个横梁I构成一个组件，横梁I与滑块I固连，滑块I可带动横梁I在直线导轨I上自由滑动。
可调加压组件包括压板、支架、导柱、翻板、螺纹推杆、聚氨酯套、拉簧、顶板和聚氨酯压块，压板与支架固定连接构成组件并可在加压支撑架组件的横梁I上滑动，翻板与压板固定连接，螺纹推杆通过翻板上的螺纹孔与翻板连接，导柱穿过压板与支架构成的组件上的通孔并与顶板固连，聚氨酯套套在导柱下端，支架通过拉簧与顶板连接，顶板与聚氨酯压块固连，聚氨酯压块下端通过顶压压力传感器而对被测复合材料层合板施加载荷。
在每个可调加压组件上对称设计两个螺纹推杆，通过分别调节两个螺纹推杆调整聚氨酯压块的压紧姿态，以适应被测复合材料层合板表面不同曲率。
变形量监测支撑架组件包括支撑框架、直线导轨II、滑块II、横梁槽、横梁II、直线导轨III、滑块III、转接块和传感器槽，支撑框架与基座固连，直线导轨II固连于支撑框架上，横梁II与滑块II固连，滑块II可带动横梁II在直线导轨II上自由滑动，直线导轨III与横梁II固连，滑块III可在横梁II上自由滑动，滑块III与传感器槽固连，转接块连接传感器槽和位移传感器，直线导轨II对称设置在支撑框架的两侧。
变形量监测辅助组件包括连接夹板组件、导向杆、短杆和底座，连接夹板组件由两个夹板固定连接，连接夹板组件的上端与位移传感器固连，下端与导向杆固连，导向杆底部的导向环下端套住短杆，短杆***底座，底座粘接在被测复合材料层合板上。
一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量方法，具体步骤如下：
(1)将复合材料层合板放置于阳模仿形支撑块上，确保层合板的特征与仿形支撑块上对应特征对齐；
(2)按需要将可调加压组件和变形量监测辅助组件分别移动至需要进行施加载荷和进行变形量测量的位置，将压力传感器放置在层合板上需要进行压力监测的位置，将变形量监测辅助组件的底座粘接在层合板的对应位置；
(3)通过螺纹推杆给层合板施加载荷，稳定后，读取压力传感器承受的压力值，并对压力值进行数据采集，获得施加载荷过程中位移传感器的动态曲线，将起始和终止时的位移值做差，获得施加载荷过程中层合板的变形量；
(4)重复进行步骤1-4五次，得到5组载荷-变形映射关系；
(5)建立施加载荷过程的有限元仿真模型，并对有限元仿真模型修正，直至5组载荷-变形映射关系均可以通过有限元仿真模型复现；
(6)在有限元仿真模型中逐渐加大施加的外力载荷直至层合板的最大应力值达到许用值，此时的外力载荷即为层合板在阳模仿形支撑块上放置的许用载荷；
(7)将复合材料层合板放置于阴模仿形支撑块上，确保层合板的特征与仿形支撑块上对应特征对齐；
(8)重复进行步骤2-6，得到层合板在阴模仿形支撑块上放置的许用载荷。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明通过变形量监测辅助组件将层合板的变形量转化为位移传感器的位移量，此转化过程简明清晰，通过滑块与直线导轨的配合可实现层合板上不同位置处变形量的测量；
(2)本发明在每个可调加压组件上对称地设计两个螺纹推杆，可以通过分别调节两个螺纹推杆调整聚氨酯压块的压紧姿态，以便适应被测复合材料层合板表面不同曲率；
(3)本发明采用固定基座结合可更换仿形支撑块的方式可以方便地适应不同形状的层合板和层合板不同方向的摆放方式。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明变形量监测辅助组件结构示意图；
图3为本发明可调加压组件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，如图1所示，包括基座1、仿形支撑块2、直线导轨I4、加压支撑架组件、可调加压组件、压力传感器20、变形量监测支撑架组件、位移传感器15和变形量监测辅助组件，
仿形支撑块2为至少4个可拼接的聚氨酯块体，将聚氨酯块体固定连接于基座1上，形成与层合板形状相同的以支撑层合板的仿形底托；
直线导轨I4对称设置在基座1的两侧，并且加压支撑架组件可在直线导轨I4上滑动，可调加压组件可在加压支撑架组件的横梁II10上滑动，实现对层合板上任意点的加压；
加压支撑架组件包括数量一致的滑块I5和横梁I6，其中1个滑块I和1个横梁I构成一个组件，横梁I与滑块I固连，滑块I可带动横梁I在直线导轨I上自由滑动。
压力传感器20上方贴合于可调加压组件下方，压力传感器20下方压紧在层合板上，通过操作可调加压组件将压力作用在压力传感器20上，获得作用在层合板上的压力值；
详细结构如图3所示，可调加压组件包括压板29、支架24、导柱23、翻板22、螺纹推杆21、聚氨酯套25、拉簧28、顶板26和聚氨酯压块27，压板29与支架24固定连接构成组件并可在加压支撑架组件的横梁I6上滑动，翻板22与压板29固定连接，螺纹推杆21通过翻板22上的螺纹孔与翻板22连接，导柱23穿过压板27与支架24构成的组件上的通孔并与顶板26固连，聚氨酯套25套在导柱23下端，支架24通过拉簧28与顶板26连接，顶板26与聚氨酯压块27固连，聚氨酯压块27下端通过顶压压力传感器20而对被测复合材料层合板施加载荷。
在每个可调加压组件上对称设计两个螺纹推杆21，通过分别调节两个螺纹推杆21调整聚氨酯压块27的压紧姿态，以适应被测复合材料层合板表面不同曲率。
变形量监测支撑架组件与基座1固定连接，位移传感器上端15与变形量监测支撑架组件下端连接；变形量监测辅助组件上端与位移传感器15的下端连接，变形量监测辅助组件的底座粘接在层合板上，通过变形量监测辅助组件将层合板的变形量转化为位移传感器的位移量，实现层合板上不同位置处变形量的测量。
如图1所示，变形量监测支撑架组件包括支撑框架3、直线导轨II7、滑块II8、横梁槽9、横梁II10、直线导轨III11、滑块III12、转接块14和传感器槽13，支撑框架3与基座1固连，直线导轨II7固连于支撑框架3上，横梁II10与滑块II8固连，滑块II8可带动横梁II10在直线导轨II7上自由滑动，直线导轨III11与横梁II10固连，滑块III12可在横梁II10上自由滑动，滑块III12与传感器槽9固连，转接块14连接传感器槽9和位移传感器15，直线导轨II7对称设置在支撑框架3的两侧。
如图2所示，变形量监测辅助组件包括连接夹板组件、导向杆17、短杆18和底座19，连接夹板组件由两个夹板16固定连接，连接夹板组件的上端与位移传感器15固连，下端与导向杆17固连，导向杆17底部的导向环下端套住短杆18，短杆18***底座19，底座19粘接在被测复合材料层合板上。
分别设计阴模仿形支撑块和阳模仿形支撑块，基于层合板的放置情况，选择与之匹配的阴模仿形支撑块或阳模仿形支撑块。
复合材料层合板载荷-变形映射关系测量步骤如下：
(1)将复合材料层合板放置于阳模仿形支撑块上，确保层合板的特征与仿形支撑块上对应特征对齐；
(2)按需要将可调加压组件和变形量监测辅助组件分别移动至需要进行施加载荷和进行变形量测量的位置，将压力传感器放置在层合板上需要进行压力监测的位置，将变形量监测辅助组件的底座粘接在层合板的对应位置；
(3)用力矩扳手对旋钮螺纹推杆给层合板施加压力，稳定后，读取压力传感器承受的压力值；同时，使用东方振动和噪声技术研究所的DASP软件以及相配套的硬件进行数据采集，获得施加载荷过程中位移传感器的动态曲线，将起始和终止时的位移值做差，获得施加载荷过程中层合板的变形量；
(4)重复进行步骤1-4五次，得到5组载荷-变形映射关系；
(5)建立施加载荷过程的有限元仿真模型，并对有限元仿真模型修正，直至5组载荷-变形映射关系均可以通过有限元仿真模型复现，有限元仿真模型计算精度不低于15％；
(6)在有限元仿真模型中逐渐加大施加的外力载荷直至层合板的最大应力值达到许用值，此时的外力载荷即为层合板在阳模仿形支撑块上放置的许用载荷；
(7)将复合材料层合板放置于阴模仿形支撑块上，确保层合板的特征与仿形支撑块上对应特征对齐；
(8)重复进行步骤2-6，得到层合板在阴模仿形支撑块上放置的许用载荷。
本发明通过变形量监测辅助组件将层合板的变形量转化为位移传感器的位移量，此转化过程简明清晰，通过滑块与直线导轨的配合可实现层合板上不同位置处变形量的测量；在每个可调加压组件上对称地设计两个螺纹推杆，可以通过分别调节两个螺纹推杆调整聚氨酯压块的压紧姿态，以便适应被测复合材料层合板表面不同曲率。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，其特征在于，包括基座(1)、仿形支撑块(2)、直线导轨I(4)、加压支撑架组件、可调加压组件、压力传感器(20)、变形量监测支撑架组件、位移传感器(15)和变形量监测辅助组件，
仿形支撑块(2)为至少4个可拼接的聚氨酯块体，将聚氨酯块体固定连接于基座(1)上，形成与层合板形状相同的以支撑层合板的仿形底托；
直线导轨I(4)对称设置在基座(1)的两侧，并且加压支撑架组件可在直线导轨I(4)上滑动，可调加压组件可在加压支撑架组件的横梁II(10)上滑动，实现对层合板上任意点的加压；
可调加压组件包括压板(29)、支架(24)、导柱(23)、翻板(22)、螺纹推杆(21)、聚氨酯套(25)、拉簧(28)、顶板(26)和聚氨酯压块(27)，压板(29)与支架(24)固定连接构成组件并可在加压支撑架组件的横梁I(6)上滑动，翻板(22)与压板(29)固定连接，螺纹推杆(21)通过翻板(22)上的螺纹孔与翻板(22)连接，导柱(23)穿过压板(27)与支架(24)构成的组件上的通孔并与顶板(26)固连，聚氨酯套(25)套在导柱(23)下端，支架(24)通过拉簧(28)与顶板(26)连接，顶板(26)与聚氨酯压块(27)固连，聚氨酯压块(27)下端通过顶压压力传感器(20)而对被测复合材料层合板施加载荷；
压力传感器(20)上方贴合于可调加压组件下方，压力传感器(20)下方压紧在层合板上，通过操作可调加压组件将压力作用在压力传感器(20)上，获得作用在层合板上的压力值；
变形量监测支撑架组件与基座(1)固定连接，位移传感器上端(15)与变形量监测支撑架组件下端连接；
变形量监测辅助组件上端与位移传感器(15)的下端连接，变形量监测辅助组件的底座粘接在层合板上，
通过变形量监测辅助组件将层合板的变形量转化为位移传感器的位移量，实现层合板上不同位置处变形量的测量。
2.如权利要求1所述的一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，其特征在于，分别设计阴模仿形支撑块和阳模仿形支撑块，基于层合板的放置情况，选择与之匹配的阴模仿形支撑块或阳模仿形支撑块。
3.如权利要求1所述的一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，其特征在于，加压支撑架组件包括数量一致的滑块I(5)和横梁I(6)，其中1个滑块I和1个横梁I构成一个组件，横梁I与滑块I固连，滑块I可带动横梁I在直线导轨I上自由滑动。
4.如权利要求1所述的一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，其特征在于，在每个可调加压组件上对称设计两个螺纹推杆(21)，通过分别调节两个螺纹推杆(21)调整聚氨酯压块(27)的压紧姿态，以适应被测复合材料层合板表面不同曲率。
5.如权利要求1所述的一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，其特征在于，变形量监测支撑架组件包括支撑框架(3)、直线导轨II(7)、滑块II(8)、横梁槽(9)、横梁II(10)、直线导轨III(11)、滑块III(12)、转接块(14)和传感器槽(13)，支撑框架(3)与基座(1)固连，直线导轨II(7)固连于支撑框架(3)上，横梁II(10)与滑块II(8)固连，滑块II(8)可带动横梁II(10)在直线导轨II(7)上自由滑动，直线导轨III(11)与横梁II(10)固连，滑块III(12)可在横梁II(10)上自由滑动，滑块III(12)与传感器槽(9)固连，转接块(14)连接传感器槽(9)和位移传感器(15)，直线导轨II(7)对称设置在支撑框架(3)的两侧。
6.如权利要求1所述的一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量装置，其特征在于，变形量监测辅助组件包括连接夹板组件、导向杆(17)、短杆(18)和底座(19)，连接夹板组件由两个夹板(16)固定连接，连接夹板组件的上端与位移传感器(15)固连，下端与导向杆(17)固连，导向杆(17)底部的导向环下端套住短杆(18)，短杆(18)***底座(19)，底座(19)粘接在被测复合材料层合板上。
7.一种适用于层合板载荷-变形映射关系的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将复合材料层合板放置于阳模仿形支撑块上，确保层合板的特征与仿形支撑块上对应特征对齐；
(2)按需要将可调加压组件和变形量监测辅助组件分别移动至需要进行施加载荷和进行变形量测量的位置，将压力传感器放置在层合板上需要进行压力监测的位置，将变形量监测辅助组件的底座粘接在层合板的对应位置；
可调加压组件包括压板(29)、支架(24)、导柱(23)、翻板(22)、螺纹推杆(21)、聚氨酯套(25)、拉簧(28)、顶板(26)和聚氨酯压块(27)，压板(29)与支架(24)固定连接构成组件并可在加压支撑架组件的横梁I(6)上滑动，翻板(22)与压板(29)固定连接，螺纹推杆(21)通过翻板(22)上的螺纹孔与翻板(22)连接，导柱(23)穿过压板(27)与支架(24)构成的组件上的通孔并与顶板(26)固连，聚氨酯套(25)套在导柱(23)下端，支架(24)通过拉簧(28)与顶板(26)连接，顶板(26)与聚氨酯压块(27)固连，聚氨酯压块(27)下端通过顶压压力传感器(20)而对被测复合材料层合板施加载荷；
(3)通过螺纹推杆给层合板施加载荷，稳定后，读取压力传感器承受的压力值，并对压力值进行数据采集，获得施加载荷过程中位移传感器的动态曲线，将起始和终止时的位移值做差，获得施加载荷过程中层合板的变形量；
(4)重复进行步骤1-4五次，得到5组载荷-变形映射关系；
(5)建立施加载荷过程的有限元仿真模型，并对有限元仿真模型修正，直至5组载荷-变形映射关系均可以通过有限元仿真模型复现；
(6)在有限元仿真模型中逐渐加大施加的外力载荷直至层合板的最大应力值达到许用值，此时的外力载荷即为层合板在阳模仿形支撑块上放置的许用载荷；
(7)将复合材料层合板放置于阴模仿形支撑块上，确保层合板的特征与仿形支撑块上对应特征对齐；
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