[发明专利]一种自动铺丝过程监测的装置及方法

说明书

本发明公开的一种自动铺丝过程监测的装置及方法，属于热塑性复合材料制造领域。该方法采用光纤光栅传感器体积小、精度高等优点，将光纤光栅传感器铺放在热塑性复合材料平板的层间，实现光纤传感器与热塑性预紧料的贴合；并通过定向轮对光纤传感器进行转向，实现一根光纤光栅传感器对多条热塑性复合材料在制作及固化过程中的应力场和温度场进行实时监测。该方法适用于热塑性复合材料制造领域，通过对制作过程中的应力场和温度场的实时监测，为成型工艺提供量化的数据支撑。

技术领域

本发明涉及一种热塑性预浸带铺放过程中应力场及温度场的监测，具体涉及一种自动铺丝过程监测的装置及方法，属于热塑性复合材料制造领域。

背景技术

热塑性复合材料是一种通过外界压力而成型的复合材料，相对于热固性复合材料，具有同等甚至优异的力学性能，且在制作过程中，省去了热压罐等复杂环节，节省了复合材料的制作成本，具有极大地发展前景。

热塑性复合材料平板在制作过程中，其成型件的型面精度与铺放时与自动铺丝机输入参数紧密相关，这些参数包括预浸带加热源的温度、压辊的速度、压辊的压力等。其中加热源加热预浸带时温度的选择对热塑性复合材料的成型具有重要的影响，如果加热源温度过高，会导致树脂基体产生热老化或固化；温度过小会导致热塑性复合材料不完全融化，黏度不足，使得材料产生局部缺陷。压辊的压力及速度也是影响热塑性复合材料成型的一个重要因素，如果压力或速度过大，会导致复合材料内温度过高，在降温过程中会产生较大的残余应力，导致复合材料产生翘曲，褶皱等缺陷；如果压力过小，会导致每层材料之间黏结不完全，使得材料出现滑移等现象，影响材料后续的铺放。

现有的热塑性复合材料平板制作装置，通过压力辊自带传感器反映热塑性复合材料在铺放过程中的压力施加情况，应用热成像装置监测复合材料表面温度变化情况。但这种方法只能反映热塑性复合材料在制作过程中施加的压力和复合材料表面温度变化情况，而热塑性复合材料在固化过程中残余应力的释放是其内部温度和应力作用的结果，为此根据压力辊传感器和热成像监测结果调整热塑性复合材料平板铺放过程中的压力及温度参数往往得不到较好的型面精度。

发明内容

本发明针对现有的热塑性复合材料平板制作装置不能反应复合材料内部温度及压力的问题，提供一种自动铺丝过程监测的装置及方法，目的是实现热塑性材料在制作及固化过程中的温度场及应力场的实时监测，为热塑性复合材料的成型工艺提供量化的数据支撑。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种自动铺丝过程监测的装置，采用光纤光栅传感器体积小、精度高等优点，将光纤光栅传感器铺放在热塑性复合材料平板的层间，实现热塑性复合材料平板在铺放及固化过程中内部应力和温度的监测，为热塑性复合材料平板铺放时的参数输入提供指导。

本发明公开的一种自动铺丝过程的监测装置，包括热塑性复合材料预浸带固定工作台、光纤预紧力调节机构、热塑性复合材料预浸带铺放装置、光纤导向机构、光纤布拉格光栅(FBG)传感器、光纤光栅解调系统。

所述热塑性复合材料预浸带固定工作台，用于热塑性复合材料预浸料。

所述光纤预紧力调节机构，包括阻尼器和光纤定向轮，根据实际铺放时的需要可固定在上述热塑性复合材料预浸带固定工作台凹槽内，阻尼器用于调节光纤光栅传感器施的预紧力，定向轮用于确定光纤方向，防止在外界环境等因素作用下产生的方向偏移。

所述光纤导向机构，用于光纤传感器的转向，保护传感器在转向过程中的能量信号不受损失，实现一根光纤的多条预浸带的监测。

所述热塑性复合材料预浸带铺放装置，用于预浸带的铺放及压紧，以保证光纤光栅传感器与热塑性复合材料预浸带的完全贴合，实现与预浸带同步变形，达到测量应变的目的。

所述光纤布拉格光栅传感器，用于实时测量预浸带在铺放及冷却固化过程中的温度场及应力场的变化。