金属材料拉伸实验分析（精选4篇）
金属材料拉伸实验分析 篇1
0 引言
金属材料在外力作用下所表现出的各种特征, 如弹性、塑性、韧性、强度等统称为力学性能指标, 是机械设计的主要依据。获得力学性能指标的唯一可靠的方法是进行测试。拉伸试验法就是检验金属材料力学性能的一种极为重要的方法。由拉伸试验所确定的金属力学性能四大指标:抗拉强度δb、屈服强度δs、伸长率δ和断面收缩率ψ最具代表性, 是设计制造的主要依据[3]。
在金属拉伸实验中, 通过压力传感器将材料所受的拉力经A/D采样得到离散的载荷数据, 将这些离散数据拟合成载荷曲线, 并从曲线中按照一定的原则找到金属的性能指标。采样数据由于各种原因会迭加各种干扰, 为了满足测量数据的准确性和快速性, 必须采用适当的方法对采样数据进行快速数字滤波处理。目前常用的方法有傅里叶变换数字滤波、中值平均滤波、移动平均滤波等方法, 这些方法在处理金属拉伸实验数据时并不是最好的, 针对这一问题, 提出了采用小波变换对采样数据进行滤波处理的方法, 取得良好效果。
1 拉伸实验数据小波变换分析方法
1.1 拉伸实验测量数据
图1为温度与拉伸速度均恒定的条件下, 圆型低碳钢沿轴向拉伸时得到的位移-载荷典型曲线。曲线由4部分组成, (1) 弹性阶段:oa段, 位移与载荷呈线性关系。载荷在a点突变, 称为上屈服限, 记为σsu。 (2) 屈服阶段:ac段, 材料出现微量塑性变形, 即载荷增加不大, 但位移出现较大变化, 这一现象称为屈服现象。不计初始瞬时效应b点的最低点, bc段载荷最低点b′称下屈服限, 记为σsl。 (3) 塑变阶段:cd段, 随着塑性变形的增加金属材料产生硬化, 材料的抵抗力持续增加, 在d承受的载荷达到最大, 称为抗拉强度限, 记为σb。 (4) 局部变形阶段:de段, 材料出现“缩颈”现象, 随着位移的增加, 到达e点时材料被拉断, e点称为断裂强度, 记为σe。金属的主要性能指标的确定方法见表1[2]。
金属材料在拉伸实验过程中, 受机械振动、夹具滑溜等原因会使采样的数据迭加强烈的干扰信号, 通过对实际数据进行分析, 干扰信号相当于最大幅值为0.6KN的白噪声, 如图2 (a) 所示。由表1中计算金属力学性能指标的方法可知, 求取金属性能指标所需的几个数据均处于实验数据曲线的突变点位置, 为了精确得到这些数据, 需要选择合适的滤波方式。采用的滤波器不但要能滤除信号中的噪声, 最关键的问题是在对信号滤波后能保留采样数据曲线中的这些突变点特征。
1.2 滤波方法选择
根据干扰信号的统计特征和频谱分布的规律, 可以有很多种滤除信号噪声的方法。传统的方法是根据噪声能量一般集中于高频, 而信号频谱分布于一个有限区间的特点, 采用傅里叶变换将含噪的时域信号变换到频域, 然后采用低通滤波器进行滤波。这种方法在有用信号与噪声的频带相互分离时, 滤波效果十分明显;但当有用信号和噪声的频带相互重叠时, 比如噪声为白噪声, 滤波效果则不尽理想。因为低通滤波器在滤除噪声的过程中, 也同时将信号的突变部分变的模糊, 丢失了有用信号的特征;而高通滤波器虽然可以使突变部分得到清晰表现, 但高频量噪声却不能被很好滤除。因此, 传统的傅里叶变换滤波方法存在着保护信号局部性特征和滤除噪声之间的矛盾。
小波变换具有自适应的时-域局部化功能, 在信号的突变部分, 某些小波分量表现幅度突出, 它与噪声的高频部分的均匀表现正好形成明显的对比, 因此小波分解特别是正交小波分解能有效的区分信号中的突变部分和噪声, 达到消噪的效果, 为解决上述的矛盾提供了有力的工具。小波去噪之所以取得成功是因为小波变换具有以下重要特点: (1) 时频局部化特性, 小波变换可在时间轴上准确的定位信号的突变点位置; (2) 多分辨性质, 由于采用多尺度分解方法, 可以很好表现信号的非平稳特点, 如边缘、尖峰、突变点等, 有利于特征提取和保护; (3) 去相关性, 小波变换具有很强的去数据相关性, 使信号的能量集中于少数几个小波系数上, 而噪声能量分布于大部分小波系数上; (4) 小波基选择多样性, 有各种各样的小波基可供选择, 针对不同应用场合选用最合适的小波函数, 可以使去噪性能达到最优。
对图1 (b) 所示含噪信号采用小波变换滤波, 就是利用了小波变换优良的时域局部化能力, 既能滤除干扰, 又能保留突变信号。
1.3 小波阈值去噪方法
信号与噪声在小波域有不同的性态表现, 它们的小波系数随尺度变化的趋势不同。随着尺度的增加, 噪声系数的幅值很快衰减为0, 而有用信号系数的幅值基本保持不变。采用阈值滤波方法的实质在于减小甚至完全剔除由噪声产生的系数, 同时最大限度保留有用信号的系数, 最后由经过处理后的小波系数重构原信号, 得到真实信号的最优估计。“最优”的精确定义依赖于具体的应用要求。
小波变换阈值滤波的步骤一般为:
(1) 首先对一维含噪信号进行小波分解, 选择一个合适的小波基并确定具体的分解层数, 然后进行分解计算;
(2) 对小波分解高频系数进行阈值量化, 对各个分解尺度下的高频系数选择一个软阈值或硬阈值进行量化处理;
(3) 一维小波重构, 根据小波分解的最低层低频系数和经过量化处理后各层细节系数进行一维信号重构。
小波阈值滤波不仅能几乎完全滤除噪声, 而且可以很好地保留反映原始信号的特征信息, 如边缘及突变点信息, 因而具有良好的滤除噪声效果。事实上, 人们已经证明在均方误差意义上阈值法能得到信号的近似最优估计, 且采用软阈值所得到的估计信号至少与原信号同样光滑。
1.4 小波基选择
小波阈值去噪的滤波效果强烈依赖于所选的小波基。经大量分析知道, 如果用和信号形状相近的小波进行滤波时, 会得到较好的滤波效果。具有正交和紧支撑性质的Symlets小波比较适合实时小波滤波要求, 因此选择Symlets小波对实验数据进行滤波处理。在Sym N系列中经常用的是Sym4和Sym8, 而Sym8的正则性优于Sym4, 所以采用Sym8小波基。
2 采用小波变换方法对拉伸实验数据滤波
2.1 对采样数据的处理流程
如图1 (b) 是在拉伸实验过程中经A/D采集的离散数据, 系统采用CS5532作为外接A/D转换器, 该器件应用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器, 内部集成了放大和滤波功能, 可得到高达24位分辨率的输出结果, 转换速率最高可达3200Hz。图1 (b) 中数据的采样频率f0=3KHz。无论采用傅里叶变换还是小波变换进行数字滤波都需对采样数据进行实时性处理。用滑动数据窗可解决实时性问题, 其软件实现流程如图2所示。
2.2 用傅里叶变换与小波变换对采样数据进行滤波的结果比较
如图1 (b) 所示, 拉伸实验开始时, 微处理器将采样数据依次放入预先定义的32位宽、长度为128的内存空间 (构成移动数据窗) , 数据采集达到128时采用傅里叶变换或小波变换对窗内数据进行数字滤波, 并输出最后一个滤波值。然后再采样新数据并更新内存空间, 并再次采用傅里叶变换或小波变换对数据窗中数据进行滤波。从而可得到如图1 (c) 所示的傅里叶变换滤波后波形及图1 (d所示的小波变换滤波后波形。
从图1 (c) 处理结果看, 经傅里叶变换滤波后, 含噪信号的滤波效果在信号光滑局域是相当不错的, 但在屈服阶段体现着信号几个关键突变信息也变得非常平坦 (采用中值平均滤波、移动平均滤波等方法时, 会使突变信息变得更加平坦, 这种结论比较容易理解, 不再重述) , 这使得这一阶段中需要的载荷数据采集产生较大误差。从图1 (d) 处理结果看, 经小波变换滤波后的去噪效果在光滑局域甚至弱于傅里叶变换滤波, 但在屈服阶段的突变信息几乎完全得以保留, 这是我们希望看到的结果。
对滑动数据窗中128个采样点进行离散小波分解时其最大分解尺度为7层。从分解得到的细节信号可以看出, 信号在第5层基本达到稳定状态。而随着分解层次的增加, 计算量也相应增加, 因此从尽可能提高运算速度方面考虑, 仅对第5层的尺度系数进行分析。根据小波阈值滤波方法, 将第5层以下的细节系数均置为0, 然后对由第5层低频信号及处理后细节系数对信号进行重构, 就能得到图1 (d) 所示波形。
数据的采样频率为3KHz, 根据Nyquist定理知道采样数据中包含的有效信号最高频率为1500Hz。因此对该信号进行小波分解时, 各层细节信号所占频带第1层为750~1500Hz;第2层为375~750Hz;第3层为187~375Hz;第4层为94~187Hz;第5层为47~94Hz。采用小波变换阈值滤波时, 将第5层以下的细节系数均置0, 这一过程的实质是强制滤除了47Hz以上的所有频率;而采用傅里叶变换滤波时, 先用离散傅里叶变换将时域信号转换至频域, 再将频谱中所有频率范围在47Hz~Nyquist频率与Nyquist频率~2953Hz内的频率全部滤除, 就能得到图1 (c) 所示波形。也就是说, 经傅里叶变换或小波变换滤波后得到的去噪信号中所含频段是相同的。所以, 图1 (c) 与图1 (d) 所示的结果是完全可以进行比较的, 比较结果能真实反映两种滤波方法的优劣。
3 结语
通过傅里叶变换与小波变换对同一含噪信号滤波进行分析, 小波变换的局部时-域分析能力既能滤除噪声, 又能保持信号的原貌。这对于保证拉伸实验屈服阶段信号的特征不丢失, 提高处于实验数据突变位置数据采样的精确度无疑是非常有效的, 这一结论在实践中也得到充分验证。
摘要：小波变换具有良好的时频局部化能力。当采用小波变换对金属拉伸实验数据进行数字滤波时, 不但能滤除干扰信号, 而且能很好的保留信号的突变部分, 体现信号原貌, 这一功能是傅里叶变换所无法比拟的。通过比较傅里叶变换与小波变换对金属拉伸实验数据的滤波结果, 表明采用小波变换处理含噪的实验数据, 具有良好效果。
关键词：金属拉伸实验,小波变换,傅里叶变换,数字滤波
金属材料拉伸实验分析 篇2
1 试样制作的影响
由于在取样时, 所存在的方向差异则会影响到在金属拉伸试验时的断后伸长率以及抗拉强度和屈服强度的性能指标, 尤其在断后的伸长率方面则会受到很大的影响。比如说, 当横向进行取样时, 必须要按照相关的要求标准, 如果在试验后的伸长率没有达标, 那么平行在轧制方向, 其表现是金属力学的性能则是良好, 相反, 如果是垂直于轧制方向, 其性能可能不会达到要求标准。
在切取样坯时应预防受热、变形以及加工硬化等特点从而影响到力学的性能。如果在切取样坯时必须要留有一定的加工余量, 并且不能小于钢材的厚度以及直径, 不能小于20mm, 在机加工试样时, 可以通过把受热或者是冷加工的一部分硬化程度除掉, 从而避免影响测定的性能。一旦把样坯机加工为试样, 主要是通过车、铣、刨、磨等几个步骤加工而成的。
2 测试仪器和设备的影响
对于尺寸测量的仪器以及量具在进行测量时, 其准确度必须要达到测量的要求标准, 在进行对尺寸测量时, 主要是包括对原始的横截面尺寸以及对断后的横截面尺寸, 而分辨力也是对其影响是否准确的重要条件之一, 所以, 应用的量具和仪器必须要根据国家标准的计量检测部门通过后方使用。
3 对于夹持法的作用影响
在一般情况下, 如果在进行实验时, 我们会通过应用夹持的方法对其进行拉伸试验, 是尤为重要的一方面, 如果出现在夹试样不稳妥的情况下, 会无法进行试验, 如果出现夹持不够稳妥时, 出现误差的可能性就极大。在进行拉伸试验时, 一旦试样上出现问题, 对应力集中造成一定的影响, 从而就会出现断裂现象, 从而导致实验不能正常的操作。假设当加载轴线应与试样的中心没有达成一致时, 在偏心加载方面就会造成弯曲的问题, 但是在一般的状态下, 试样是不允许存在偏心力的现象的, 极易会促使力的偏心造成明显偏移。如果选用不适合的拉伸夹则会给试样造成一定的附加弯曲应力, 对结果产生一定的误差, 此外, 如果拉伸夹在选择时不得当也会给拉伸试样造成打滑以及断裂等, 从而致使得不到准确的数据以及数据偏低等后果。在进行加载系统以及试样的几何形状, 或者是非均质试样时一般都会出现偏心加载, 因此必须要降低存在的偏心效应, 严格根据标准进行操作。
4 受温度的影响
影响材料性能的另一个重要因素就是温度。由于一般的金属材料会随着温度不断的升高, 而测量的强度指标则会出现下降, 而温度所造成的影响则可以不用计算, 但应用高精度荷载的传感器时, 对于特殊材料, 就必须要考虑到是否受到了温度的影响, 应及时修正。
5 受拉伸速率作用
由于拉伸的速率是作为在拉伸试验当中必须要控制的一个参数, 所以拉伸的速率就会影响到金属材料的应力。通过在常温下, 其拉伸的速率必须会给试验结果造成影响, 如果拉伸的速率较大, 其屈服的强度以及规定的延伸强度必定会存在一定程度的提高。然而也会因不同材料也会对速度产生不同的影响, 其拉伸的速率强度也会对材料产生不同的影响效果。如果强度较低, 并且塑性较好的材料对其的影响就是非常大, 同时对屈服强度也会造成很大的影响。因此, 必须要把规定标准作为参考值, 在规定测量的非比例当中, 其延伸强度以及上屈服强度和屈服强度必须要按照规定标准规定进行。
在对下屈服强度进行测定时, 其平行的长度必须要达到一定的变速率标准, 并且其平行的长度也应保持在恒定之内。如果是在在塑性的范围到规定的强度应变率也是不能超过规定范围之内的。当试验机无能力再进行测量以及无力再控制应变速率时, 其主要的拉伸率必须要控制在试验机的两夹头, 并且通过在力的影响下分离其应力的速率。如果测定的抗拉强度达到标准时, 而它的塑性范围平行长度的应变速率就应≤0.008/S。
6 人为因素的影响
由于拉伸试样的横截面积是作为非常关键的一个重要问题, 而检测人员在对其进行试验时的依据主要包括在两方面, 一方面就是对其金属的拉伸试验。而另一个方面则是对材料产品的规定标准, 在一些产品的标准说明上则会明确规定其拉伸的试验横截面积, 并且要按照名义尺寸的横截面积规定要求, 但是, 在产品的标准当中如果没有特殊的规定, 就必须要遵循国家标准要求, 对其实际尺寸进行测量。但是如果都是按照名义的尺寸去计算其横截面积, 所测试的得出的结果则会受到一定的影响, 甚至把合格强度的测为不合格的, 存在把不合格测定为合格的情况。
在拉伸试样时必须要按照直径的大小来选择外径的千分尺以及游标卡尺等。一旦应用的测量方法不够精准, 则会影响到人为的尺寸在进行测量时出偏大, 甚至给强度测试出现偏低的测量结果。如果当量具的测量面和试样轴线出现垂直时, 所测量得到的结果就是d1>d0。
在测量试样的尺寸时, 如果把数据看错, 例如, 把游标卡尺或者是把外径千分尺看错, 甚至对于在光圆拉伸试验外径以及在薄板的矩形拉伸试样, 极易把外径千分尺测量时的数据读成0.5mm, 因为外径千分尺测量同一圈就0.5mm, 如果不注意的话就很容易看错一圈, 所测量的结果出现不准确的现象。
在一般情况下, 如果操作的技术以及在主观因素下出现不同情况时, 则会给测量的结果造成一定的误差。在相同条件下, 不同人员进行拉伸试验操作, 实验结果也或多或少的存在差异。
7 结论
在上述的因素中, 对于金属材料试验的拉伸结果其影响是不同的。在现实的检测当中, 应尽量确定这些所存在的因素, 从而对产生的各种因素进行制定各种操作流程, 在进行试验时必须要选用正确的方向, 从而加强它的准确度。如果是在对其检定时, 则必须要通过应用检测仪器, 尽量要应用拉伸速率测试以及应用夹持的方法, 促使试验的温度达到规定标准要求。此外, 要控制在试验当中的过程, 以确保在进行操作进达到一定的要求标准, 确保实验数据的准确度。
参考文献
[1]熊丽霞, 吴庆华.材料力学实验[M].北京:科学出版社, 2006.
金属材料拉伸实验分析 篇3
就该实验本身来说, 实验原理简单, 实验装置巧妙, 学生容易理解, 实验操作难度不大, 因而学生完成实验会比较顺利。但就学生交回的实验报告来看, 多数学生的实验结果误差会偏大, 而且不同因素对实验结果的影响作用不一样。下文将对这一普遍情况做重要探讨, 以随机抽取一位学生实验数据为例, 检查并分析其数据处理结果, 然后对发现的问题提出相应的解决办法。
一、实验数据及其结果分析
表1是某次的实验数据及部分计算结果。
对各直接测量量的单次测量结果表示为:
b=6.998±0.002cm D=0.0540±0.0005cm (直径是在金属丝上、中、下不同的5个位置测量) 。
由误差传递公式:
分别可计算得各测量量对弹性模量的影响为:
对比分析发现, 直径和伸长量的测量对弹性模量的误差影响最大。由一般的物理实验测量结果要求, 相对误差最大不能超过5%, 根据影响因素的误差均分思想, 上述5个因素的最大影响不能超过1%。因而, 对直径和伸长量的测量必须认真考虑。
二、进一步减小直径和伸长量对弹性模量测量结果的影响
1. 实验选用的是低碳钢材料的金属丝, 这种金属丝弹性性能较好, 新制成的金属丝考虑实验的需要, 为了提高光杠杆放大的灵敏度, 直径约为0.5mm, 各部分粗细均匀, 但多数金属丝经过长时间的使用后, 总体上都被拉细了, 也就是直径都变小了。而且金属丝各部分粗细也变得不均匀了。这些是造成直径测量误差偏大的直接原因。因此, 建议实验管理人员应该和实验教师进行有效沟通, 实验教师把在实验过程中通过检查实验数据发现的这一问题及时反馈给实验管理人员。按照直径测量误差不能超过1%的要求, 对有问题的金属丝进行更换。鉴于以往对直径的测量中, 是在金属丝上中下不同位置只测量5次的做法, 建议多测几次, 可取8次, 由算术平均值标准偏差的计算公式可知, 这样做有利于减小测量误差。
2. 对金属丝微小伸长的测定是用光杠杆放大后进行的, 读数在标尺上完成。这个长度的测量几乎与整套测量装置都有关系。首先, 仪器初始状态的调整必须保证:金属丝预先通过悬挂2kg砝码保持铅直状态。平面镜镜面要处于竖直方向, 标尺要处于竖直方向, 望远镜与平面镜等高并对准平面镜, 最好是望远镜光轴必须与平面镜圆心在同一直线上。望远镜目镜叉丝要求聚焦清晰, 目镜里看到的标尺虚像要求聚焦清晰。在一些文献中, 很多谈到了各种减小伸长量测量误差的办法。比如, 在文献中, 用特制三角尺调节平面镜到竖直位置, 用重锤线调节镜尺组的标尺到竖直位置, 文献[2]中, 在望远镜筒侧面与光轴等高的中心位置固定一指针, 指针面贴在标尺面上, 通过调节观察指针与水平叉丝是否对齐, 可以检验望远镜筒是否水平。这些都可以用到实验中。这里我要强调的是另外需要重点注意的几个方面。第一, 消除标尺像与叉丝平面之间视差。通常, 学生按照先调节叉丝清晰再调节标尺像清晰的顺序做好后, 就开始测量。忽视视差对测量结果的影响。实际上, 由于每次测量时测量者目视位置的不同 (包括左、右、上、下) , 因为存在视差, 致使每次测量结果与准确值存在较大偏差。所以, 应该向学生强调一定要消除视差, 保证标尺像严格出现在叉丝平面上。第二, 这也是非常重要的一点。实验中, 我们是通过加减砝码去减小金属丝由于形变时间过长对测量结果的影响。但是, 检查学生实验数据时发现, 不管是加砝码, 还是在减砝码的时候, 金属丝的形变好像不在弹性范围内。经过分析, 这里可能有两种情况, 一是金属丝使用时间很长, 经历无数多次实验后, 金属丝确实是失去了弹性, 不能再使用了, 应该给予更换;二是我要特别指出的一点。很多金属丝是刚刚更换, 或是使用没有多久, 也出现了上述问题。询问学生测量情况后发现, 这是由于测量时间间隔的不等长所造成的。也即是, 加砝码时, 每加1kg砝码不是等长时间间隔去测量伸长量, 同样, 在减砝码时, 每减1kg砝码也不是等长时间间隔去测量伸长量。为了检验这种分析是否合理, 我要求学生按照以下做法来测金属丝伸长量:每当加减砝码后, 必须等2分钟观察到金属丝几乎不再形变才读取数据。重新实验后的结果和我的分析完全一致。伸长量测量的实验数据基本上是随加减砝码而线性变化, 金属丝的形变处于弹性范围之内。
参考文献
[1]卢学伟.测定金属丝弹性模量实验中易出现的问题和解决办法[J].物理通报, 1998, 7
金属材料拉伸实验分析 篇4
变体机翼能够根据飞行状态,自适应地改变自身形状以达到最佳的气动外形,从而显著助提高飞行器的气动效率,成为未来先进飞行器的重要发展方向[1—3]。当变体机翼改变自身形状时,表面蒙皮需要具有足够的刚度和强度来承受飞行器飞行过程中的气动载荷,并且要求机翼蒙皮具有足够的柔性以产生较大变形[4,5]。
目前,国外Jonathan D.Bartley-Cho等提出采用柔性较大的橡胶类材料制作的蒙皮[6],这种蒙皮虽满足机翼变形和气密性要求,但是,机翼的整体承载能力并不很高,并且机翼内部结构、驱动方式和控制很复杂;Brian C.Prock等提出了分片式可移动的硬蒙皮[7],这种蒙皮结构虽实现了蒙皮的大变形和承载要求,但是却无法保证机翼表面光滑、连续和整体气密性要求,降低了变体机翼的气动性能;国内哈尔滨工业大学研制了形状记忆聚合物来实现蒙皮的大变形,但承载能力同样有限。
针对以上不足,本文提出了一种半圆波纹型复合材料蒙皮,以同时满足机翼变体时地柔性和承载能力要求。这种蒙皮由纤维增强复合材料基体和高弹性橡胶材料组成,如图1所示。
这种蒙皮在纵向拉力作用下每个波纹都产生扩张,由于变形的累积效应,使其产生远大于普通金属平板蒙皮;而在垂直于蒙皮表面的方向,由于波纹结构的存在使其具有较大的刚度,能够承受较高的载荷。本文计算了单层蒙皮复合材料主方向弹性模量,使用MSC.Patran/Nastran有限元软件进行了仿真分析,并将分析结果与试验进行了对比,证明了模型的有效性,为智能蒙皮的研究提供了一定的理论及试验依据。
1玻璃/环氧复合材料弹性模量
玻璃纤维与环氧树脂混合材料(下面简称玻璃/环氧复合材料)属于各向异性材料,玻璃/环氧复合材料各向弹性模量的计算推到可以增加有限元仿真的准确性。文中使用0°/90°E型平纹玻璃纤维织物,设Ef为玻璃纤维的弹性模量,Em为环氧树脂的弹性模量,cf为玻璃纤维的体积分数,cm为环氧树脂的体积分数。
取体积为V的单层典型单元体,它的质量为M,M是玻璃纤维与环氧树脂质量之和,即
M=Mf+Mm (1)
体积V包括玻璃纤维Vf、环氧树脂基体Vm和孔隙Vv三部分所占的体积,即
V=Vf+Vm+Vv (2)
用M和V分别去除式(1)和式(2)得
其中mi和ci表示质量分数和体积分数。
按照复合材料密度的定义,可用V去除式(1),得单层复合材料的密度:
式(5)称为复合材料密度的混合律,它表示复合材料的密度与各相体积分数和各相密度乘积的线性关系。
用质量分数表示,则:
孔隙体积与总体积相比可忽略,则可近似认为
为计算材料的弹性模量,将一层纤维织物简化成为正交铺设的上、下两层单向纤维层[8],如图2所示,假设上、下两层纤维体积含量相同,且都等于未简化前的纤维体积含量。
下层纤维1方向的弹性模量E11为:
E11=Efcf+Emcm (9)
上层纤维2方向的弹性模量E22为:
玻璃纤维织物与环氧树脂胶相关制备参数如表1所示,mf和mm可用实验方法测定(通常用采用称重法),取一块质量为M的试样,除掉其中的基体(对玻璃/环氧复合材料,可酸蚀除掉基体),或者剪出试件所用玻璃纤维布而后称重的方法直接得出纤维重量Mf,根据式(3),可计算得
2有限元建模
任何结构的有限元分析都离不开几何结构的准确建模和载荷的真实模拟[9]。本文建立的有限元仿真分析模型与试验样件的形状和尺寸一致。仿照拉伸试验机的拉伸方式,一端完全固支,一端施加X方向的拉伸载荷,采用逐步加载方式,每步迭代30次。
2.1二维模型
仿真模型建好后,选用四边形板元(QUAD4)来划分网格,在波纹区域适当加密网格,将计算出的弹性模量等参数输入选定的材料模型中,材料模型为2D各向异性材料,最后采用复合材料专用建模工具MSC.Laminate Modeler来建立蒙皮构件拉伸模型,真实试验样件由6层玻璃/环氧复合材料组成,仿真模型则简化成反对称正交铺设层合板,共12层,铺层顺序为[0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°/0°/90°],材料主方向1与全局坐标X轴向一致,铺层参考方向如图4所示。
2.2分析结果
复合材料层合板结构由于方向层的刚度不同,每一层会有不同的应力,故相对于金属材料更侧重于分析其应变[10]。
图5、图6为蒙皮构件上、下表面X轴向应变云图。
从图5中可知,蒙皮上表面波峰处在伸长时主要受压应变影响,最大压应变集中于中间波峰处,两边波峰的压应变小于中间波峰,越靠近两端压应变越小,而波谷处主要受拉应变影响,最大拉应变集中于两端波谷处,越靠近中间拉应变越小。
图6中蒙皮构件波峰处受拉应变而波谷处却受压,应变分布与图5相似,导致这种现象主要有两方面原因,一是如图7所示,取蒙皮整体的波峰或波谷处一段微元,根据整体受力情况,可知微元所受内力分布,发现不管波峰或波谷处微元都会受到使其舒展伸长的力矩,这导致单层蒙皮既有拉应变又有压应变;二是蒙皮铺层方式可看作是反对称正交铺设,此种层合板有拉伸与弯曲的耦合关系,即蒙皮在拉伸时不仅会伸长还会产生翘曲。
图8是蒙皮构件受拉时X轴向所产生的位移图,由图8可知,每个波纹所产生的位移大小并不一样,越靠近拉伸端位移越大,由于每个波纹都产生扩张变形的累积效应,使其产生远大于普通金属平板蒙皮的变形,满足了变体飞行器大变形的要求。
3试验
3.1试验样件及系统
本文根据GB/T 1447—2005[10]规定的纤维增强复合材料拉伸试验件的外形尺寸,采用手糊真空热压成型工艺制备了波纹型和平板型两类拉伸试验样件,表3为试验件的尺寸参数。其中,L为试验件的总长;L1为试验测试段的长度;L2为拉伸机夹持验样件的长度;n0为纤维铺层数;n为基体的波纹数;t为样件层合板厚度。
实验设备使用INSTRON5566系列电子万能试验机。实验前先夹持蒙皮试样,使试样的中心线与上、下夹具的对准中心线一致,试验机的加载速度根据标准设为2 mm/min,检查并调整试样及试验机系统,使整个系统处于正常工作状态,最后测定拉伸应力时连续加载直至试样破坏,观察拉伸变形曲线,记录数据。
3.2结果分析与讨论
图9为平板型试验样件的拉伸特性试验曲线,图10为波纹型蒙皮拉伸位移仿真曲线以及试验样件拉伸特性曲线。
由图9可知,平板样件在拉伸载荷小于170 N的范围内呈线性关系。当大于170 N后,样件脱层导致强度减弱而发生破坏。
比较两图可知,两种结构具有相似的变形特性,而且两种结构样件发生脱层破坏的临界载荷很接近,所以可以近似地用平板结构的拉伸许用应力,作为波纹结构拉伸时的应力极限。但是波纹结构样件的变形能力远高于平板结构。在相同的载荷下,波纹结构样件的伸长量是平板结构样件的30多倍。
比较图10中两曲线可知在(0—100) N之间,仿真与试验结果拟合度较好,在170 N左右时,试验样件发生塑性变形,而仿真模型仍然处于线弹性阶段,此时观察试验样件发现,试件两端波谷处纤维层与树脂胶首先发生脱层现象,这与上文仿真结果吻合。在线弹性段实验与仿真结果比较接近,伸长量误差不超过10%。
根据上述结果可以推断导致有限元仿真计算与实测结果之间误差的原因主要有3个方面。一是仿真模型由于进行了诸多简化导致计算结果误差,这是导致试验误差的一个主要原因;二是样件制备时,工艺难以精确控制,导致不同样件性能略有差异;三是样件测试过程中,由于样件的初始变形等因素影响,使加载过程中初始载荷可能不为0,而导致了载荷偏置。尽管本文建立仿真模型与实测结果之间存在误差,但是误差较小,且简单易用,所以提出的有限元分析模型可以作为工程设计与优化的一种依据。
4结论
(1) 本文推导出了的波纹型蒙皮结构含玻璃纤维与树脂胶的体积分数,并给出了材料各向弹性模量的表达式,该式形式简单,含义清楚便于使用,使仿真结果更准确。
(2) 结构试验前,建立波纹型蒙皮复合材料构件的有限元模型给出蒙皮在试验载荷下应变、位移等云图,为后续试验中位移与力传感器的选取、试验应变片的布置提供依据。
(3) 试验结果表明,波纹式蒙皮结构能够提供远大于传统平板式蒙皮的拉伸变形能力。本文样件试验中,在相同尺寸条件和载荷作用情况下,波纹结构的弹性伸长量是平板结构样件的30多倍,为变体机翼蒙皮提供了一种可行的选择。
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