基于压电传感网络的复合材料液体成型过程实时监测技术

发布时间：2020-11-12 10:31

　　 复合材料液体成型技术作为可适用于大型工程结构制造的先进复合材料生产技术,具有成型快、成本低并具有大规模量产的优点,是目前工业界和学术界的研究热点。但复合材料液体成型工艺一直缺少相应的合适的成型监测手段,导致了复合材料产品质量和一致性难以保证。工业生产常采用介电法对工艺流程进行监测,但介电法只能用于玻璃纤维复合材料,且精度较差、监测量较少。学术界许多学者提出了多种实时监测方法,如光纤法、热学法和波传播法,但这些方法应用条件较为苛刻,成本较高,目前仍然处于实验室验证阶段,在工业生产上应用的技术成熟度还不高。本文采取数值模拟和实验验证相结合的方法,首先对复合材料液体成型工艺过程进行数值模拟,掌握复合材料液体成型的基本规律,然后采取基于压电传感网络的监测技术,将锆钛酸铅(Pb-based lead Zirconium Titanate,简称PZT)传感器布置在模具上(可内侧或外侧),利用PZT可实现压力、机电阻抗和波传播三种方法,对复合材料液体成型工艺进行由点至面,从局部到整体的多物理量实时监测,并进行实验验证。本文主要工作如下:(1)研究了复合材料液体成型过程时树脂流动过程和固化时温度场与固化度场的相互耦合过程。首先通过对环氧树脂进行DSC实验,求得相应n级动力学模型参数。然后通过PAM-RTM有限元软件进行树脂填充纤维材料的模拟,得到树脂流动前沿和具体的流动过程。接着基于Abaqus有限元软件,通过Fortran编写,将n级动力学模型和子程序结合,对固化过程中温度场和固化度场进行了耦合计算,并分析得到最优固化方式及温度。(2)提出了基于压力法和Lamb波法的树脂流动前沿监测方法,实现大型复合材料结构的从点到面的流动前沿评估。通过对压力信号进行滤波平滑处理,可以证明基于压力法在点监测上具有较高精度。基于不同模态Lamb波的传播特性,分别提取基于A0相位、A0幅值和S0相位的三种不同特征因子对树脂流动过程进行表征和预测,实验验证了三种特征因子的有效性。实验结果表明,基于Lamb波法可以对大面积大范围结构内的树脂流动过程进行监测,尽管精度不如压力法,但通过不同路径的对比分析,可预测流动前沿的位置。(3)提出了基于压电阻抗和Lamb波相结合的树脂固化监测方法,实现复合材料液体成型过程中从局部到整体的固化度综合评估。对谐振频率和反谐振频率进行归一积分处理,通过对比归一积分数据和模拟结果并建立一一映射关系,发现基于阻抗分析法可针对成型过程中的重点区域进行局部的定量化监测。通过S0模态Lamb波的幅值和波速的变化,可定性化反映固化过程各个阶段及结束特征和定量化成像固化度。实验结果表明,通过不同路径的Lamb波幅值变化的定性化分析,可评价复合材料液体成型过程固化度。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

１．３研究内容??复合材料液体成型工艺中，以ＶＡＲＴＭ工艺技术为例，其主要流程一般包括??五个部分，如图１．２所示。其中需要监测的部分集中在树脂注入和固化两个阶段。??表１．１为两个监测阶段需要监测的主要物理量，这些物理量对复合材料成品质量??起决定性作用。交联反应为放热反应，且固化速率与温度呈正相关，温度又影响??树脂基体、纤维和模具之间不同步的热膨胀效应，使得固化度、温度和残余应力??之间相互耦合，这种相互耦合关系也是复合材料液体成型过程监测较为困难的原??因之一。而流动前沿主要是指树脂注入过程中，树脂前沿的流动位置，它与复合??材料成品中干斑、空洞现象息息相关。??本文重点研究实时监测树脂注入和固化两个阶段，并且依靠压电传感器网络，??重点对比较难以表征的流动前沿和固化度两个物理量进行监测。根据压电传感器??自身特性，采用三种不同测量原理的方法：压电法、Ｌａｍｂ波法和压电阻抗分析??３??

Ａｂａｑｕｓ－，树脂固化时内部单元的温度域和固化度域；再基于ＰＡＭ－ＲＴＭ有限元软件对ＬＣＭ??工艺中树脂填充模具过程进行模拟，得到流动前沿反馈时间，为后面实验提供对??比分析结果及实验意义。??第四章主要介绍ＬＣＭ工艺过程中流动前沿监测，在传感网络中，分别基于??压力法和基于Ｌａｍｂ波法对流动前沿进行了监测，并基于模型法对流动前沿进行??了预测。结果证实了压力法和Ｌａｍｂ波法都可以对树脂注入过程进行监测，都具??有较高的精度，能准确反映模内树脂流动状态。??第五章主要介绍ＬＣＭ工艺过程中固化度监测，在传感网络中，分别基于阻??抗分析法和基于Ｌａｍｂ法对固化过程进行监测。将阻抗谱特征量进行归一积分处??理，将数据与模拟结果相关联，得到固化度定量化监测结果。根据Ｌａｍｂ波信号??特征，找出Ｌａｍｂ波波速和幅值变化规律，对树脂固化过程进行定性化监测。??

含多个ＰＺＴ传感器的传感网络，不仅可以基于大范围超声导波法进行监测，还??可以基于不同的方法，对不同的物理量及区域进行细致监测。??ＰＺＴ的受电压激励（逆压电效应）原理如图２．１所示。本文基于压力法对流??动前沿的监测原理，就是树脂在注入流动过程中，基于正压电效应，会对ＰＺＴ??传感器产生一个动态压力，通过捕捉这个动态压力信号，就能在时域上表达流动??前沿的具体位置。??１２??
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4 王晓霞;王成国;贾玉玺;罗玲;;热固性树脂固化动力学模型简化的新方法[J];材料工程;2012年06期

5 丁江平;廖栋;范欣愉;;非等温DSC法研究复合材料用环氧树脂的固化反应[J];材料导报;2011年14期

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7 张维玺;;巴特沃斯数字陷波滤波器的设计[J];现代电子技术;2008年18期

8 代晓青;肖加余;曾竟成;刘钧;尹昌平;刘卓峰;;等温DSC法研究RFI用环氧树脂固化动力学[J];复合材料学报;2008年04期

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本文编号：2880641