【《某复合材料横担动态实验探究报告》3500字】

第4章系统设计某复合材料横担动态实验探究报告目录TOC\o"1-3"\h\u30181某复合材料横担动态实验探究报告 1103361.1复合材料横担疲劳损伤计算 1316391.2实验方案设计 2237261.2.1实验试件 264381.2.2量测方案 2134911.2.3加载方案 3242221.2.4实验平台 4237721.3实验步骤 5228071.4实验及数据分析 6324351.4.1应力计算方法 63561.4.2实验及数据分析 7复合材料横担输电塔由于长期暴露在野外环境工作，经常受到高频风作用从而引发复合材料横担的疲劳损伤，尤其是在风力较大的复杂地形区域，容易因输电塔线体系的应力造成损伤破坏事故，严重时会导致断线倒塔等事故发生[42-44]。为了模拟复合材料横担在挂网运行时的振动情况，对复合材料横担施加交变载荷探究其根部应变，应力及疲劳损伤情况可以给复合材料横担的运行维护及产品改进提供参考价值。1.1复合材料横担疲劳损伤计算对复合材料横担的疲劳损伤进行分析，可以利用复合材料的S-N曲线结合Miner线性准则在域内累积计算损伤值来评估复合材料横担疲劳寿命[45-46]。如下式（4-1）所示：ασ式中：b=σb/B,σb为材料静强度，B为材料常数，b近似在10.0左右；α=1/B，σi，N由复合材料横担在实际运行过程中，其根部所受应力不是单一的常幅疲劳，Goodman曲线由于其形式简单，在工程中得到了普遍的应用，其公式如（4-2）所示：∆S式中，∆S'、∆S、S由Miner准则，结构载荷作用下发生疲劳破坏的总循环次数N为公式（4-3）：σb式中，ri为第i级应力σi作用下的工作循环次数，各级应力破坏循环次数1.2实验方案设计1.2.1实验试件本次实验采用复合材料横担作为研究对象，如图4-1所示。复合材料横担试样为空心结构，外部伞裙为交替伞裙型式，法兰与芯棒采用粘胶工艺密封连接，法兰盖板与法兰之间的密封通过在法兰的矩形槽内放置密封圈实现，均满足标准要求。图4-1复合材料横担1.2.2量测方案通过第三章的仿真内容可以得出，复合材料横担根部位置所受应力最大，是复合材料横担中最薄弱的部位。我们为了更方便得了解试件的应力应变变化及疲劳特性，同时应考虑到实验人员的安全，节省人力物力，我们将应变片布置于复合材料横担根部。实验采用三相应变花，电阻值为120±0.1Ω，灵敏度为2.0±1%，复合材料横担根部环向90°布置4处测点，如图4-2所示:图4-2应变花布置图根据设计位置在测点粘贴应变片。首先在选定位置画十字线定位，为了确保本实验所测量应变数据的准确性，应该使用应变片紧贴横担纤维缠，在每个测点布置两个应变片，首先剥除横担根部的漆包物，对横担根部进行1mm厚度开槽，用砂纸打磨开槽后的复合材料横担根部的结构表面，再用脱脂棉蘸丙酮清洗1-2次。将502胶水涂在应变片表面，然后将塑料薄膜覆盖在应变片上，继续按压直至应变片牢固。用万用表检测各应变片的电阻和绝缘情况，对不符合要求的应变片重新粘贴，最后将应变片通过导线同动态应变仪连接起来。应变片及应变仪下图4-3，4-4所示。图4-3横担根部应变片布置图图4-4动态应变仪1.2.3加载方案复合材料横担疲劳性能实验共分为两个阶段，第一阶段采用分级频率加载办法，以0.5Hz频率为间隔进行加载，每次加载1小时，加载方案如下表4-1所示。然后再进行下一阶段的加载实验，通过动态应变仪传感器监测载根部应变情况，加载过程保持平稳。第二阶段中，根据第一阶段的应变数值计算应力结合上一章仿真得到的横担根部应力数据，选择对应频率测得的应力幅值，进行高周期疲劳加载实验，验证复合材料横担的可靠性。表4-1加载方案加载频率1Hz1.5Hz2Hz2.5Hz3Hz3.5Hz时间/h1111111.2.4实验平台实验平台由连接装置、固定装置、加载装置、量测装置构成。将复合材料横担固定在反力架一端的承力板上，两根复合材料横担通过螺栓进行连接，偏心电动机系统加装在另一端。复合材料横担头部与偏心电机使用特质钢板通过螺栓连接，偏心电机通过传送带带动偏心锤进行周期性加载实验。实验平台如图4-6所示。本实验采用六安江淮电机有限公司，型号为YE2-90L-6，功率为1.1KW，转速990r/min，50Hz频率电机，电动机如下图4-7所示。图4-6实验平台布置图图4-7电动机1.3实验步骤为保证实验有序顺利进行复合横担动态疲劳实验，制定如下实验步骤，实验过程中应严格按照以下实验步骤进行。（1）按照图4-6所示安装实验设备，先将转接法兰盘安装在反力架上，使用8根8.8级的M22螺栓进行固定，作为复合横担系统的固定端，然后依次将两段复合横担安装在转接法兰盘上，使用M12的螺栓进行固定，最后将电机偏心轮系统安装在复合横担的另一侧，完成实验的安装。（2）连接实验电路，将三相电机、三相电源和调频器串联形成闭合回路，组成实验所需电路，三相电源用以驱动三相电机，调频器可以控制电路的开合，作为开关，同时调频器可以调节电动机的工作频率，为给复合横担提供不同的频率的载荷提供条件。（3）将复合横担根据的伞裙切割掉一部分，露出复合材料芯棒，在芯棒上按照实验制定的量测方案粘贴应变片，将应变片连接动态应变仪与计算机，将动态应变仪的采样频率设置为50Hz，做好数据采集准备。（4）新建数据采集文件，开启应变仪进行采样，按照实验加载方案，转动调频器的调频旋钮，调节频率至实验方案所需数值，按照对复合横担的循环次数的要求计算实验时间，对实验进行时间控制。（5）实验过程中观察实验现象，注意复合横担振动幅度，观察复合横担根部是否有裂纹变化，对实验现象进行记录，实验每隔1小时对测得的应变数据进行一次应力计算，对复合横担的应力状态进行实时监测。（6）按照实验时间计算应力循环次数，达到实验所需的试验次数后调节频率调节旋钮使电动机的输出频率为零，关闭动态应变仪，导出数据文件，结束实验。在进行复合材料横担试验过程中，认真观察试验现象并做好试验记录，以便结合测试数据进行试件的受力分析。1.4实验及数据分析1.1.1应力计算方法如图4-7所示，单向纤维增强板由纤维排列方向相同的单向复合材料制成，具有不均匀性和各向异性。但是，在考虑其整体机械性能时，包括纤维和基体在内的具有适当尺寸的体积单位被视为材料的基本组成元素，并且材料中每个元素的特性都相同，因此单向纤维增强板材料可以认为它是宏观层面的均质材料[47-49]。该材料具有两个正交的对称平面，即LZ平面和TZ平面，称为正交异性材料。L是纤维方向；t是垂直纤维的方向；Z是厚度方向。图4-7单向纤维强化板在实际应用中，复合材料基本上都是平板或壳体的形式。与其他方向相比，复合材料的厚度方向通常很小，尤其是单层板。在讨论单向复合材料的力学性能时，可以假定其处于平面应力状态，如下式（4-4）所示：（4-4）除了宏观均匀性假设和平面应力状态假设外，还考虑到单层板的变形较小，符合线弹性定律，因此沿材料主轴的应力应变关系如下（4-5）所示：（4-5）各柔度系数与工程弹性常数之间的关系如下式（4-6）所示：（4-6）式中，E1——沿1轴方向弹性模量；E2——沿2轴方向弹性模量；G12——1-2面内的剪切模量；μ12——主泊松比；μ12——次泊松比。对式(4-3)求逆，得到下面的由应变求应力的公式（4-7）:（4-7）其中二维刚度矩阵系数Qij可由式（4-4）中的柔度矩阵求逆得到，即（4-8）所示：（4-8）1.1.2实验及数据分析在实验第一阶段1Hz-3.5Hz频率加载过程中，偏心电机逐渐加速，复合材料横担伴随着偏心电机循环载荷的加载逐渐开始振动，起初横担受偏心电机的影响振动较为剧烈，之后横担振动趋于稳定，横担头部振幅较大，根部振幅较小，实验试件测点呈正弦曲线变化，均未出现明显破坏情况。以3.5Hz根部应变数据为例，如下图4-8所示：图4-83.5Hz复合材料横担根部应变时程曲线将1Hz-3.5Hz各阶根部应变测量结果带入式（4-7）中，得到各频率代表性应力时程曲线，根部应力如下图4-9，4-10所示：图4-91Hz-2Hz复合材料横担根部应力曲线图4-102.5Hz-3.5Hz复合材料横担根部应力曲线在第二阶段实验中，根据上述公式（4-1），（4-2），（4-3）可以得到在偏心电机3.5Hz频率加载下，通过修正的等效应力幅值为2.58Mpa，计算得到的疲劳破坏循环次数为8124562801次，即73.6年。通过高周期疲劳加载进行实验，复合材料横担伴随着偏心电机循环载荷的加载逐渐开始振动，根部应力始终呈正弦曲线变化，中间没有出现明显的突变点，非常稳定，说明复合横担工作过程中一直处于健康工作状态。加载次数2116381次之后停止实验。复合材料横担试件均为出现明显的变形