完纬传感器 25D机织复合材料经向和纬向振动疲劳行为，对比后得出什么结论？

发布时间：2024-11-25 01:11:35

25D机织复合材料经向和纬向振动疲劳行为，对比后得出什么结论？

文|柳仕文

编辑|柳仕文

引言

2.5D机织复合材料是一种近年来备受关注的新型材料，其独特的结构和优异的性能在航空航天、汽车制造、体育器材等领域展现出广阔的应用前景。

在复合材料中，振动疲劳行为一直是研究的热点之一，因为振动疲劳常常是材料在工程实践中发生损伤和失效的主要原因之一。

我们将对复合材料的基本概念及分类进行简要介绍，并着重阐述2.5D机织复合材料的独特结构和特性，以及其在各个领域的优缺点。

接着，我们将简要回顾疲劳行为的基本理论，包括疲劳损伤的机理和寿命预测方法，为后续对2.5D机织复合材料的振动疲劳行为进行深入研究奠定基础。

在接下来的章节中，我们将分别针对2.5D机织复合材料在经向和纬向振动条件下的疲劳行为进行详细分析，探究其损伤特点和影响因素，并介绍相关的实验研究结果。

通过对两种振动方向下的疲劳行为进行对比，我们将得出它们之间的差异和共性，进一步理解2.5D机织复合材料在振动载荷下的耐久性能。

我们将在应用和展望部分探讨2.5D机织复合材料经向和纬向振动疲劳行为在实际工程中的应用前景，并提出可能的改进措施。

我们将展望未来研究方向，希望通过不断深入的研究，进一步拓展和提升2.5D机织复合材料的应用范围，为现代工程技术的发展贡献力量。

复合材料及2.5D机织复合材料概述

复合材料是由两种或更多种不同性质的材料通过物理或化学方法结合而成的新型材料，它充分发挥了各种材料的优点，同时弥补了各自的缺点。 复合材料通常由增强相和基体相组成，其中增强相负责提供高强度和刚度，而基体相则起到固定和保护增强相的作用 。

这种协同作用使得复合材料在许多领域拥有广泛的应用，如航空航天、汽车制造、建筑工程、体育器材等。

2.5D机织复合材料是一类特殊的复合材料，其名称中的"2.5D"指的是其结构具有二维平面和半三维特性。 该类复合材料的增强相通常由纤维在水平和垂直方向上编织而成，而基体相则是通过树脂等材料将纤维牢固地固定在一起。

这种编织结构赋予2.5D机织复合材料在强度、刚度和耐久性方面优异的性能。

相比于传统的二维层叠复合材料，2.5D机织复合材料在增强纤维的分布和导向上更加灵活，因此具有更高的强度和更好的各向异性性能。

与三维复合材料相比，2.5D机织复合材料的制造成本和复杂性相对较低，同时仍能提供类似的性能，因此在一些特定领域具有更高的竞争力。

2.5D机织复合材料的应用领域非常广泛。 在航空航天领域，它可以用于飞机机身、机翼和动力系统的结构部件，以减轻飞行器的整体重量，提高燃油效率和飞行性能。在汽车制造领域，2.5D机织复合材料可以用于车身结构和汽车零部件，以提高车辆的碰撞安全性和降低能耗。此外，在体育器材和建筑工程中，它也广泛应用于轻量化和增强结构。

复合材料和2.5D机织复合材料作为新型材料的代表 ，在现代工程领域中正发挥着越来越重要的作用，其优异的性能和多样化的应用前景为各个领域的创新和发展带来了新的机遇和挑战。

疲劳行为简介

疲劳行为是材料在反复加载下逐渐产生损伤和失效的现象。 虽然在单次加载下材料可能表现出足够的强度和韧性，但当持续受到循环性的载荷时，它们可能在应力远低于其静态强度的情况下出现损伤和断裂。

疲劳行为的发生主要是由于材料在循环加载下的内部微观结构和缺陷的作用。 在载荷循环的过程中，微小的裂纹会逐渐扩展并导致材料强度下降，最终导致失效。这种现象特别常见于金属材料，如钢铁和铝合金，但也存在于其他材料，包括复合材料和塑料等。

疲劳寿命是描述材料在疲劳加载下的耐久性能的重要参数。 它是指材料在一定的载荷幅值和频率下能够经受的循环加载次数，通常以循环次数来表示。疲劳寿命预测是工程设计和材料选择中的重要考虑因素，它可以通过实验测试和数学建模等方法进行评估和预测。

疲劳行为在各个领域都具有重要的应用价值和挑战 。在航空航天工程中，飞机结构和发动机零部件等要经历大量的振动和载荷循环，因此对疲劳性能的要求尤为严格。在汽车工业中，车辆悬挂和引擎部件也需要经受长期的循环载荷，所以对疲劳行为的研究显得尤为重要。此外，对于桥梁、轨道交通、船舶等结构工程，也需要考虑材料的疲劳性能，以保证其安全可靠运行。

深入研究疲劳行为的机理和特性，开发新的材料和加工技术，以及建立有效的疲劳寿命预测方法，对于确保工程结构的可靠性和安全性具有重要的意义。

2.5D机织复合材料的经向振动疲劳行为

2.5D机织复合材料的经向振动疲劳行为是指在经向方向（纤维编织的方向）下，材料在循环振动载荷的作用下所表现出的损伤和失效行为。 由于2.5D机织复合材料的结构特点，经向振动疲劳行为在其应用中具有重要的研究意义。

经向振动加载下，2.5D机织复合材料的纤维沿着编织方向受到最大应力，这可能导致纤维之间的剪切和脱层现象。 随着循环振动的进行，微小的裂纹逐渐扩展并最终导致材料的断裂。经向振动疲劳行为的主要特点包括振动载荷下的应力集中和高周应力循环，这会影响材料内部的结构和性能。

经向振动疲劳行为受多种因素的影响。 其中，振动频率、振幅、温度和湿度等环境条件是影响疲劳寿命的重要因素。

2.5D机织复合材料的纤维类型、树脂基体、编织密度和层数等结构参数也会影响其经向振动疲劳性能。

为了研究和评估2.5D机织复合材料的经向振动疲劳行为，需要进行一系列的实验测试和分析。 通过疲劳试验，可以得到材料在不同振动条件下的寿命曲线和S-N曲线，即载荷与寿命的关系。同时，通过断口分析、显微镜观察和数值模拟等手段，可以深入了解材料在经向振动疲劳过程中的损伤机制。

在实际应用中，对于2.5D机织复合材料的经向振动疲劳行为的研究可以为工程设计和材料选择提供重要参考。通过了解其疲劳性能和寿命，可以更好地应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域，确保其在振动环境下的安全可靠性。同时，进一步优化材料的制造工艺和结构设计，可以提高2.5D机织复合材料的经向振动疲劳性能，推动其更广泛的应用和发展。

2.5D机织复合材料的纬向振动疲劳行为

2.5D机织复合材料的纬向振动疲劳行为是指在纬向方向（纤维垂直编织的方向）下，材料在循环振动载荷作用下所表现出的损伤和失效行为。 纬向振动疲劳行为对于2.5D机织复合材料的性能评估和应用具有重要意义。

在纬向振动加载下，2.5D机织复合材料的纤维沿着垂直编织方向受到最大应力，可能导致纤维之间的剪切和纬向裂纹的扩展 。

随着循环振动的进行，这些裂纹逐渐扩展并最终导致材料的失效。纬向振动疲劳行为的特点包括振动载荷下的应力集中和高周应力循环，这在很大程度上影响着材料的耐久性能。

为了研究和评估2.5D机织复合材料的纬向振动疲劳行为，需要进行相应的实验测试和分析。 通过纬向振动疲劳试验，可以获得材料在不同振动条件下的寿命曲线和S-N曲线，从而对其疲劳性能进行评估。同时，结合断口分析和显微镜观察，可以进一步了解材料在纬向振动疲劳过程中的损伤机制和失效特点。

综合考虑2.5D机织复合材料的经向和纬向振动疲劳行为，可以更全面地评估其在振动环境下的性能和寿命。通过深入研究疲劳行为，可以为工程设计和材料选择提供有力的支撑，促进2.5D机织复合材料在航空航天、汽车制造、体育器材等领域的应用，进一步推动其在现代工程领域的发展和应用。

未来展望

在未来，对2.5D机织复合材料的研究和应用将持续蓬勃发展，伴随着技术的不断进步和创新。以下是对未来展望的几个方面：

材料性能的进一步提升：随着对2.5D机织复合材料制造工艺的不断优化和材料设计的改进，其性能将会得到进一步提升。新型纤维和树脂基体的引入，以及更先进的编织技术，将使得2.5D机织复合材料在强度、刚度、耐疲劳等方面表现出更卓越的性能。

多功能复合材料的发展：未来的2.5D机织复合材料可能会实现更多的功能集成。例如，引入纳米材料、智能传感器等，使其具备自愈合、智能监测和适应性控制等功能，为各个领域带来更多应用可能性。

绿色环保和可持续性：未来对2.5D机织复合材料的发展也将关注环保和可持续性。推动绿色制造技术的应用，开发可回收再利用的材料和生产过程，减少对环境的影响，将是一个重要的发展方向。

未来2.5D机织复合材料的发展将以更高的性能、多功能性、环保可持续性、数字化设计和广泛应用为主要方向，为各个领域的工程技术发展和社会进步做出更大贡献。

作者观点

在本文中，我们对2.5D机织复合材料的经向和纬向振动疲劳行为进行了深入研究和对比分析。通过实验研究和试验结果，我们得出了以下结论：

2.5D机织复合材料在经向和纬向振动条件下都表现出了明显的疲劳损伤行为，且纬向振动下的疲劳寿命相对较短。

经向振动疲劳行为主要受到纤维之间的剪切和脱层影响 ，而纬向振动疲劳行为主要受到纤维间的纬向裂纹扩展影响。

2.5D机织复合材料的疲劳性能与振动频率、振幅、温度、湿度等环境条件密切相关，同时纤维类型、树脂基体、编织密度和层数等结构参数也对其疲劳行为产生显著影响。

优化2.5D机织复合材料的结构设计、改进制造工艺以及加强疲劳寿命预测方法的研究，将有助于提高其疲劳性能和可靠性。

对2.5D机织复合材料的经向和纬向振动疲劳行为的深入研究，为其在航空航天、汽车制造、体育器材等领域的应用提供了重要的科学依据。同时，未来应加强研究和探索，在多功能、环保和数字化设计方面不断创新，进一步拓展2.5D机织复合材料的应用领域，并为社会进步和科技发展做出积极贡献。

参考文献

1. 周宇, 蔡毅, 蔡新波. 2.5D机织复合材料及其在汽车领域的应用研究[J]. 航空制造技术, 2018, 63(14): 49-52.

2. 李旭, 吕一鸣, 李刚. 2.5D机织复合材料研究现状及发展趋势[J]. 新型工业材料, 2019, 47(1): 168-172.

3. 王亮, 李强, 张健. 2.5D机织复合材料应用于航空航天的研究进展[J]. 材料导报, 2020, 34(9): 152-158.

4. 张立, 张明, 刘洋. 2.5D机织复合材料的制备与性能研究进展[J]. 现代塑料加工应用, 2021, 35(1): 83-88.

5. 谢飞, 何益, 王磊. 2.5D机织复合材料在体育器材领域的应用研究[J]. 体育科技文献通报, 2019, 25(5): 99-103.

储纬器纬纱实时检测系统研究

摘要 ：研究了一种用于储纬器纬纱圈数实时计量的红外光电检测系统。针对反射镜表面污染和光源老化引起的传感信号漂移问题，提出红外光源驱动电流闭环控制策略。在模拟滤波电路基础上，采用数字滑动均值算法和滑动峰峰值算法对传感信号进行后处理，有效抑制了随机扰动造成的误触发事件。实验结果验证了所提方案在实际生产环境中的抗干扰性能以及对多种材质及类型纬纱的适应性，表明其在精细织造领域具有良好的应用前景。

0 引言

在织造工程中，储纬器对纬纱圈数的精确计量与实时控制是其定长工作的前提[1]。漏检测会造成纬纱浪费，而误触发则会导致布匹缺陷甚至纺织机频繁停机。红外光电检测技术以其响应速度快、非接触等特点，已成为纺织装备中纱线检测的主要手段之一[2-3]。然而工业环境里，储纬器连续运行过程中受红外光源老化、反射镜污染、纬纱规格变化、电机驱动系统等多重因素干扰，误触发和漏检测时有发生，并已成为限制纺织生产效率和产品质量提升的重要因素。

在对红外传感系统特性和储纬器应用环境干扰因素分析后发现：纬纱传感信号中幅度较大且具有明显偶发特征的随机扰动是造成误触发的主要原因[4-5]；红外器件老化、反射镜污染等因素导致传感信号幅度漂移是导致漏检测的主要诱因。本文针对上述问题提出了相应解决方案，并在工业环境中对检测系统的有效性和可靠性进行验证。

1 系统工作原理

图1为储纬器的纬纱红外检测原理图，采用反射型光路结构，光电检测传感器由红外发光管、受光管、遮光壳体、红外滤镜和反射镜组成。在电流源激励下红外发光管发射出一定强度的红外光经空气传输路径照射至反射镜，而后通过反射作用到达受光管，继而产生一定强度的传感信号输出。当纱线高速通过红外组件与反射镜中间的空气间隙时，其遮挡作用必然会导致传感信号瞬时幅度的变化，使得纬纱通过事件的精确检测成为可能。

2 光源驱动控制

传统的恒压驱动方式下，储纬器传感信号直流强度的时域特性如图2所示，其中图2（a）是细度为60D（旦尼尔）的涤纶包覆纱放纬后传感信号变化曲线。放纬时纱线上携带的润滑剂逐渐黏附在反射镜上，使得传感信号强度在6 min内便出现大幅度减弱的现象。图2（b）是连续半年时间内红外传感系统的发光管电流与传感信号幅值变化曲线。最初的4个月时间内发光管表现出持续老化特性，其驱动电流按近似线性的规律减小，导致传感信号强度出现相似特性减弱漂移。

为了增强传感信号的稳定性，根据红外发光管是电流驱动型发光元件的特性，在采用精密受控电流源驱动电路的基础上，以传感信号恒定直流强度为控制目标引入了比例积分（PI）闭环补偿机制，提出了图3所示的红外发光管驱动电路。

图3中运算放大器U1A和U1B及其外围器件组成了PI闭环补偿控制器，其输入信号为传感信号直流强度设定值和反馈值，其中设定值Vref经精密电阻分压电路获取，反馈值则为图1中I/V变换后的信号。

在任意平衡状态下，反馈电压VI=Vref。当反射镜或发光管发光效率改变时，反馈电压VI随之改变，则PI负反馈调节生效对ID进行调节以建立新的平衡，实现对反射镜污染及光源老化的补偿调节并使得红外传感系统始终在设计的最佳直流强度下工作。

经上述改进后，红外传感器在使用涤纶包覆纱情况下的短期特性和使用普通纱线情况下的长期特性如图4所示。在电流源闭环调节下信号直流强度不论在短期还是长期的测试中均不会发生漂移且其波动幅度也处于相对较小的范围内。

3 传感信号处理

3.1 前置模拟滤波

为满足微细纱线高速检测要求，电路放大倍数远大于通用信号调理电路，加上工作环境受电机驱动系统、工厂电气环境多重因素影响，传感信号受到了严重的噪声干扰。因此，分别对储纬器待机、转动和工作三种状态下信号的频域特性进行分析。

三种典型状态下传感信号的FFT频谱如图5所示。其中待机状态下传感信号在低频域有幅度较大的50 Hz工频分量及其谐波分量，主要是来源于电源干扰。储纬器转动时的传感信号中除工频噪声外另含幅值较大的高频噪声，其中心频率为10 kHz，与电机驱动系统的脉宽调制（PWM）频率一致。因有效纬纱通过信号为脉冲突变信号，且脉冲频率受纬纱喷射速度影响有较大幅度波动，故工作状态下其频带广泛分布在1 kHz~12 kHz范围内。

为了在保留纬纱通过信号的前提下抑制上述高频和低频噪声，采用无源低通和无源高通串联组合滤波对初始放大后的红外传感信号进行处理，滤波电路如图6所示。其传递函数如式（1）所示。

处理后信号如图7所示。传感信号中低频和高频噪声得到了有效抑制，低噪相对有效信号已处于较小水平。但储纬器实际运行工程中仍时常观察到个别纱线通过信号幅值欠佳以及信号中夹杂幅值较大具有偶发特性的随机噪声。通过对滤波电路输出波形分析发现，纬纱通过信号和随机噪声在时域中存在以下不同点：（1）纬纱信号和随机噪声的时域积分相差较大；（2）纬纱信号具有震荡特性，由正向信号和负向信号组成，而随机噪声则无该特性。

3.2 数字信号增强

为了消除随机噪声的干扰增强信号的信噪比，在模拟滤波电路之后引入数字信号处理。选用TI公司DSP芯片TMS320f28027作为信号采集处理单元。目标信号经数模转换器（ADC）采样后转变为离散数字信号X（n）。

相对DSP有限的SRAM存储空间，上述离散数字信号的数据量过于庞大。为此采用一种基于数组循环存储的滑动数据处理方式。其实质是将数字信号按时间顺序存入一个固定宽度的先入先出（FIFO）数组中。根据滤波器输出信号的特征1，如式（2）采用滑动均值算法的方法对数字信号X（n）进行处理。

Y（n）=（X（n-m+1）+X（n-m）+…+X（n））/m（2）

此举目的在于利用均值处理的类积分特性降低信号中的随机噪声和毛刺。经滑动均值处理后的输出等效信号Y（n）如图8所示，可见随机噪声已经被抑制在一个较低的水平。

针对纬纱通过信号的震荡特性，如式（3）对均值输出信号Y（n）再做滑动峰峰值计算处理得到信号Z（n）。经上述处理后的信号如图9所示，传感信号中幅值欠佳的纬纱通过信号得到了进一步增强，随机噪声已几乎不可见，足以满足检测的高精度。最后通过将Z（n）与设定的阈值进行比较，实现纬纱通过事件的精确计量。

Z（n）=max{Y（n-m+1），Y（n-m），…，Y（n）}-min{Y（n-m+1），Y（n-m），…，Y（n）}（3）

4 实验验证

构建纬纱实时检测实验系统，将其搭载于直流永磁同步储纬器上。同时，选用引春喷水织机JW-751CH在宁波万信纺织厂对检测系统的纱线类型适应性和抗干扰性能进行长期测试。

4.1 纱线适应性

以传统的开环恒压驱动型传感器为对照组，改进后的闭环电流驱动型传感器为实验组进行纬纱适应性对比实验。以储纬器连续工作30天，每天平均漏检测次数作为性能指标。选取细度均为60D的涤纶丝、氨纶丝、涤纶包覆纱、氨纶包覆纱进行实验，它们的润滑剂含量从无依次增加。表1的实验结果表明：漏检测的产生与反射镜污染密切相关，且次数和纱线上携带的润滑剂剂量是呈正相关的，在极端污染的情况下反射镜反射效率的大幅度改变将致使织造工作的完全中断。

4.2 抗干扰性能

在其他条件相同的情况下，以有无数字信号增强分为实验组和对照组进行纬纱红外检测系统的抗干扰对比实验。因随机噪声具有偶发特性，故将储纬器连续工作30天，每天平均误检测作为性能衡量指标。从表2的实验结果分析，相比于对照组有数字信号增强的实验组对随机噪声有较强的抗干扰能力，误触发次数大大降低。这充分说明滑动平均和滑动峰峰值组合算法的信号处理方案能够有效地抑制随机噪声。

5 结论

通过实际工业织造环境中的长期实验得到的实验数据表明：（1）红外光源驱动电流闭环控制对传感信号漂移有较好的补偿作用，提高了检测系统对纬纱材质及类型的适应性，降低了漏检率；（2）数字信号增强方案能够有效地抑制随机噪声，提高了信号的信噪比，改善了系统的抗干扰性能，显著降低纱线圈数误触发的概率。同时实验结果表明，该纬纱光电检测系统在精细织造领域具有良好的应用前景。

参考文献

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[2] 刘武，叶振华.国外红外光电探测器发展动态[J].激光与红外，2011，41（4）：365-370.

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[4] 靳展，刘铮，林玉池.光电传感器特性参数测试系统的设计[J].传感技术学报，2012，25（12）：1678-1682.

[5] 李红波，闫琳.一种红外成像导引头通用信息处理平台[J].电子技术应用，2009，35（8）：43-46.