一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法技术

本申请公开了一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法，该方法使用电磁加载完成复合材料结构的衬套强化，相较传统方法取得了明显的有益效果。该方法针对现有装置和方法无法应用到复合材料结构衬套强化的问题，提出了针对该结构的强化工艺的工艺参数计算方法。通过拉美公式和复合材料弹性应力应变关系得到孔周径向压应力，进而通过库里摩擦理论得到强化过程中动态挤压摩擦总阻力，结合电磁力数学模型确定工艺参数。本发明专利技术能够实现不同结构和尺寸的复合材料衬套强化工艺参数的计算，用于指导动态冷挤压复合材料衬套结构的强化。指导动态冷挤压复合材料衬套结构的强化。指导动态冷挤压复合材料衬套结构的强化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法


[0001]本申请属于复合材料强化
，具体涉及一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法。

技术介绍

[0002]传统静态冷挤压方法往往会在挤压过程中产生较大的阻力从而导致一系列问题如卡棒、断棒、损伤孔壁等。动态冷挤压虽然可以降低传统静态冷挤压过程中产生的挤压阻力，并且进一步提高挤压后孔结构的疲劳寿命。但是，这种方法仅仅适用于塑性较好、各向同性的合金材料。对于塑性差且各向异性的复合材料来说，若具体工艺参数无法确定，则会对复合材料造成损伤，从而降低甚至抵消冷挤压强化所带来的疲劳寿命增益效果。

技术实现思路

[0003]针对上述
技术介绍
中存在的技术问题，本申请提供一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法，解决了动态冷挤压应用在复合材料中工艺参数难以确定的问题。
[0004]本申请具体采用以下技术方案予以实现：
[0005]本申请提供一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法，包括：
[0006]将衬套安装至复合材料的被挤压孔中，使所述衬套的外表面与所述复合材料的被挤压孔壁接触，调整挤压芯棒的位置使其前端定位部分插入所述衬套的内孔中；
[0007]计算衬套被挤压后的径向压应力及所述复合材料的被挤压孔孔周径向压应力；
[0008]根据所述径向压应力和挤压强化过程中所述复合材料、所述衬套的结构特征和强化特征，建立所述挤压芯棒与所述衬套之间、所述衬套与所述复合材料的被挤压孔间的基于库伦摩擦原理的挤压摩擦阻力模型；
[0009]根据所述挤压摩擦阻力模型，建立挤压过程中的总摩擦阻力模型；
[0010]根据电磁加载的特性，建立电磁力与工艺参数间的数学模型，并通过电磁加载试验得到其中的常数参数；
[0011]根据所述总摩擦阻力模型和所述数学模型，确定强化工艺参数；
[0012]根据所述强化工艺参数，完成强化工艺过程。
[0013]作为本申请的进一步说明，所述衬套的外径和所述复合材料的被挤压孔径相同。
[0014]作为本申请的进一步说明，根据拉美公式计算所述衬套被挤压后的径向压应力；通过所述复合材料弹性应力应变关系计算所述复合材料的被挤压孔孔周径向压应力。
[0015]作为本申请的进一步说明，所述衬套被挤压后径向压应力具体如下：；
[0016]其中：σ
r1
为衬套被挤压后径向压应力，E
B
、E
P
分别为挤压芯棒和衬套的弹性模量，v
B
、ν
P
分别为挤压芯棒和衬套的泊松比，I1为挤压芯棒与衬套之间的相对挤压量，由
得出，D为挤压芯棒直径，d为衬套内径。
[0017]作为本申请的进一步说明，所述复合材料的被挤压孔孔周的径向压力具体如下：；
[0018]其中：, , and , σ
r2
为被挤压孔孔周径向压应力，I2为复合材料的孔和衬套之间的相对挤压量，由估算，其中E
max
为E1和E2中更大的一个，ν
12
、ν
21
分别为复合材料纵向和横向的泊松比，E1、E2分别为复合材料纵向和横向弹性模量，G
12
为复合材料剪切模量，θ为孔圆周上的点与孔中心点连线与水平线所呈夹角。
[0019]作为本申请的进一步说明，所述挤压芯棒与所述衬套之间的挤压阻力F1摩擦模型具体为：；
[0020]其中，μ1为挤压芯棒与衬套间的摩擦系数，h为衬套的高度。
[0021]作为本申请的进一步说明，所述衬套与所述复合材料的被挤压孔之间的挤压阻力F2摩擦模型具体为：；
[0022]其中，μ2为复合材料的孔壁与衬套接触面间的摩擦系数，s为复合材料2的厚度，d2为衬套外径。
[0023]作为本申请的进一步说明，所述总摩擦阻力F模型具体为：。
[0024]作为本申请的进一步说明，所述电磁力F
e
与工艺参数之间的模型为：
[0025]其中，U为放电电压，K为常数；通过多组电磁加载试验，能够拟合出K的值。
[0026]作为本申请的进一步说明，所述工艺参数放电电压如下：；
[0027]根据计算出的放电电压进行放电，电磁力发生器带动挤压芯棒完成强化过程。
[0028]本申请与现有技术相比具有以下优点：
[0029]本申请使用电磁加载进行复合材料结构的衬套冷挤压强化工艺，与传统的静态方法相比，可降低冷挤压过程中的阻力，并提高挤压后复合材料结构的疲劳寿命。该方法可以
通过少量的电磁加载试验以及简单的手动计算或Matlab、Python、Excel等计算确定进行复合材料衬套动态冷挤压强化时的工艺参数，避免了确定工艺参数所需的大量试验。该方法适用于任意尺寸的复合材料衬套动态冷挤压强化。
附图说明
[0030]图1为本专利技术提供的基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法示意图；
[0031]图2为本专利技术提供的基于电磁加载的复合材料结构衬套强化工艺方法的工艺参数确定流程图；
[0032]图3为采用本专利技术提供的方法产生的挤压阻力与传统方法对比图；
[0033]图4为采用本专利技术提供的方法强化后的复合材料结构疲劳寿命与传统方法对比图；
[0034]图5为本专利技术所得在不同电压下得到的摩擦总阻力和试验所得值对比图。
[0035]图中，1
‑
电磁力发生器，2
‑
复合材料，3
‑
挤压芯棒，4
‑
衬套，5
‑
垫板。
具体实施方式
[0036]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0037]实施例1
[0038]本实施例提供的强化方法采用T800碳纤维，铺层顺序为[+45/
‑
45/0/+45/90/
‑
45/+45/90/
‑
45]s，单层厚度为0.188 mm，总厚度为3.384 mm的复合材料，TA2钛合金的衬套进行试验；复合材料开孔为4mm，衬套内径为4mm，外径为5mm。
[0039]如图1和2所示，本实施例提供一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法，包括如下步骤：
[0040]步骤1：将衬套4安装至复合材料2的被挤压孔中，使衬套4的外表面与复合材料2的被挤压孔壁接触，调整挤压芯棒3的位置使其前端定位部分插入衬套4的内孔中。
[0041]一般衬套4的外径和复合材料2的被挤压孔径相同。在强化过程中，一般需要使用垫板5，垫板5的开孔直径一般小于复合材料2的被挤压孔径且大于衬套4的内径。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁加载的复合材料结构衬套强化方法，其特征在于，包括：将衬套安装至复合材料的被挤压孔中，使所述衬套的外表面与所述复合材料的被挤压孔壁接触，调整挤压芯棒的位置使其前端定位部分插入所述衬套的内孔中；计算衬套被挤压后的径向压应力及所述复合材料的被挤压孔孔周径向压应力；根据所述径向压应力和挤压强化过程中所述复合材料、所述衬套的结构特征和强化特征，建立所述挤压芯棒与所述衬套之间、所述衬套与所述复合材料的被挤压孔间的基于库伦摩擦原理的挤压摩擦阻力模型；根据所述挤压摩擦阻力模型，建立挤压过程中的总摩擦阻力模型；根据电磁加载的特性，建立电磁力与工艺参数间的数学模型，并通过电磁加载试验得到其中的常数参数；根据所述总摩擦阻力模型和所述数学模型，确定强化工艺参数；根据所述强化工艺参数，完成强化工艺过程。2.如权利要求1所述的强化方法，其特征在于，所述衬套的外径和所述复合材料的被挤压孔径相同。3.如权利要求1所述的强化方法，其特征在于，根据拉美公式计算所述衬套被挤压后的径向压应力；通过所述复合材料弹性应力应变关系计算所述复合材料的被挤压孔孔周径向压应力。4.如权利要求3所述的强化方法，其特征在于，所述衬套被挤压后径向压应力具体如下：；其中：σ
r1
为衬套被挤压后径向压应力，E
B
、E
P
分别为挤压芯棒和衬套的弹性模量，v
B
、ν
P
分别为挤压芯棒和衬套的泊松比，I1为挤压芯棒与衬套之间的相对挤压量，由得出，D为挤压...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹增强，郑国，
申请(专利权)人：陕西大工旭航电磁科技有限公司，
类型：发明
国别省市：