[发明专利]一种纤维增强复合材料加工效果评价方法

说明书

本发明一种纤维增强复合材料加工效果评价方法属于纤维增强复合材料加工损伤评价领域，特别涉及一种碳纤维复合材料表层损伤面积的快速提取及评价方法。该方法采用数字图像处理技术分析和计算损伤区域的面积，损伤程度按照公式计算求出。首先进行像素标定，然后用彩色平板扫描仪获取被加工材料铣削前和铣削后的数字图像，将铣削前后图像的目标区域进行相减并显示出相减后的结果，确定损伤区域面积并计算损伤因子。该方法能够对碳纤维复合材料的加工损伤进行快速的评价，计算方法简单，经济成本低。测量方法简单，对测量人员的要求低；同时，该方法对所需测量尺寸的依赖性低，从而增加了结果的可靠性。

技术领域

发明属于纤维增强复合材料加工损伤评价领域，特别涉及一种碳纤维复合材料表层损伤面积的快速提取及评价方法。

背景技术

碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、可整体制造等诸多优点，已经被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而，为了满足复合材料构件的连接装配需求，仍需进行大量的精加工。而铣削是工业中普遍使用的精加工方法。但是，CFRP在铣削时极易产生分层、毛刺等加工损伤，并且这些损伤多出现在表层，影响承载性能。因此，为了对不同工艺参数及刀具几何结构下的复合材料加工效果进行比较，以选取合适的刀具几何及切削参数，需要获得加工损伤的程度并建立相应的量化标准，进而通过数值计算表征铣削复合材料之后的表层材料损伤程度。

2005年Davim等在《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》第160期160到167页发表的《Damage and dimensionalprecision on milling carbon fiber-reinforcedplastics using design experiments》一文中采用一维损伤因子(F_d)对铣削损伤程度进行了表征，该一维损伤因子的计算表达式为：即最大损伤深度W_max和径向切深W之商。该方法虽然操作简单、便于工程技术人员掌握，但不可避免地会引入人为测量误差。此外，该方法仅适用于损伤区形状较为规则的情况。然而，铣削加工复合材料之后，表层损伤通常是由未切断纤维，细小裂纹以及材料缺失等组成，加工后的复合材料损伤形状不规则、出现频率不均匀。在这种情况下，若继续使用一维损伤因子，极有可能出现两种不同的损伤程度却具有相同的一维损伤因子的情况，计算结果可靠性较差。2016年上海交通大学安庆龙等人在专利《碳纤维增强复合材料单向层合板制孔的分层缺陷评价方法》，申请号：CN201610111299.7中，针对钻削碳纤维复合材料分层损伤，通过引入不同层的分层损伤体积来描述钻削分层损伤的程度。但是，由于该方法所用设备价格昂贵，且对操作人员的专业技术水平要求很高，不适合大范围推广应用。此外，该方法无法描述孔壁表层的毛刺损伤程度，因此无法实现全面评价钻削加工效果。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺陷，特别是现有一维损伤因子表征损伤的不足和分层损伤方法的局限性，发明了一种纤维增强复合材料加工效果评价方法，该方法采用数字图像处理技术分析和计算损伤区域的面积，该方法是一种经济、快捷、准确的碳纤维复合材料加工损伤评价方法，有效地表征了加工效果。

本发明采用的技术方案是一种纤维增强复合材料加工效果评价方法，其特征是，该方法采用数字图像处理技术分析，计算损伤区域的面积，损伤程度按照公式计算求出。首先进行像素标定，然后用彩色平板扫描仪获取被加工材料铣削前和铣削后的数字图像，将铣削前后图像的目标区域进行相减，并显示出相减后的结果，确定损伤区域面积并计算损伤因子；

方法的具体步骤如下：

步骤1.像素标定

用一个相机专用标定板来确定物理尺寸和像素间的换算关系，在彩色平板扫描仪扫描处理得到的图像中选择一个特定圆形面积S，计算该圆形面积中含有的像素点的个数n，则单个像素所代表的面积大小S₀，通过公式(1)计算出：

S₀＝S/n (1)