CN103196694A - 一种复合材料桁架扭转实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料桁架扭转实验装置及方法，它涉及一种扭转实验装置及方法，具体涉及一种复合材料桁架扭转实验装置及方法。本发明为了解决目前还没有可以进行复合材料桁架扭转实验的装置及方法的问题。本发明的底座上表面的中部沿长度方向设有滑槽，桁架试件支撑座和扭转轴支撑座并排设置在底座上表面的滑槽中，桁架试件的一端通过第一三角连接板与桁架试件支撑座连接，桁架试件的另一端通过第二三角连接板与扭转轴的一端连接，扭转轴安装在扭转轴支撑座上，扭转轴的另一端通过加载力臂法兰盘与加载力臂的一端连接，悬挂重物通过挂钩与加载力臂的另一端连接，第一位移测量器的测头与第一三角连接板的一侧接触。本发明用于复合材料桁架扭转实验。

Description

一种复合材料桁架扭转实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种扭转实验装置及方法，具体涉及一种复合材料桁架扭转实验装置及方法。

背景技术

复合材料具有比强度高、比模量大、热稳定性好、性能可设计等优势。桁架式结构质量轻、灵活易拆装，可根据需要进行结构调整以适应不同的载荷布局，具有较高效率，已获得广泛使用。目前，复合材料桁架结构成为航空航天等多领域大量使用的结构形式，并且具有进一步的发展潜力。扭转是复合材料桁架的基本受载工况，但由于理论局限以及复合材料制备过程中的相关工艺问题，对复合材料桁架的扭转性能预报还存在一些问题，因此实验手段必不可少。

目前，复合材料桁架扭转实验装置及方法鲜有文献报道。

发明内容

本发明为解决目前还没有可以进行复合材料桁架扭转实验的装置及方法的问题，进而提出一种复合材料桁架扭转实验装置及方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括底座、桁架试件支撑座、扭转轴支撑座、扭转轴、加载力臂法兰盘、加载力臂、第一三角连接板、第二三角连接板、悬挂重物、第一位移测量器和第二位移测量器，底座上表面的中部沿长度方向设有滑槽，桁架试件支撑座和扭转轴支撑座并排设置在底座上表面的滑槽中，桁架试件的一端通过第一三角连接板与桁架试件支撑座连接，桁架试件的另一端通过第二三角连接板与扭转轴的一端连接，扭转轴安装在扭转轴支撑座上，扭转轴的另一端通过加载力臂法兰盘与加载力臂的一端连接，悬挂重物通过挂钩与加载力臂的另一端连接，第一位移测量器的测头与第一三角连接板的一侧接触，且第一位移测量器的测头的轴线水平指向第一三角连接板的几何中心，第二位移测量器的测头与第二三角连接板的一侧接触，且第二位移测量器的测头的轴线水平指向第二三角连接板的几何中心。

本发明所述实验方法的具体步骤如下：

步骤一、将底座水平放置，将桁架试件支撑座和扭转轴支撑座安装在底座上表面的滑槽中；

步骤二、将桁架试件两端弦杆端部擦净，打磨弦杆端部并在弦杆端部均匀涂覆常温固化树脂胶粘剂，然后将弦杆端部插入法兰中，将桁架试件的一端与第一三角连接板连接，将桁架试件的另一端与第二三角连接板连接，第二三角连接板与扭转轴支撑座上的扭转轴的一端连接，扭转轴的另一端通过加载力臂法兰盘与加载力臂的一端连接，通过螺栓将桁架试件支撑座与扭转轴支撑座固定在底座上，将第一三角连接板与桁架试件支撑座固定；

步骤三、调整并固定第一位移测量器和第二位移测量器，使第一位移测量器的测头的轴线水平指向第一三角连接板的几何中心，第二位移测量器的测头的轴线水平指向第二三角连接板的几何中心；

步骤四、通过加载力臂另一端的悬挂重物带动扭转轴转动；

步骤五、计算桁架试件的扭转角与扭转刚度：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{\sqrt{3}{l}_a}{6a+{2l}_a}-\arccos \frac{\sqrt{3}{l}_b}{6b+{2l}_b}$        ①

${\mathrm{GI}}_p=\frac{T\·L}{\mathrm{\θ}}$

②

公式①和②中，θ表示桁架试件扭转角，a表示第二位移测量器的读值，b表示第一位移测量器的读值，l_a表示第二三角连接板的边长，l_b表示第一三角连接板的边长，GI_p表示桁架试件的扭转刚度，T表示加载扭矩值，L表示桁架试件的长度。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种复合材料桁架扭转实验装置及方法；本发明所述实验装置结构简单，制作成本低，底座上的滑槽便于桁架试件支撑座与扭转轴支撑座对齐，并使试件支撑座与扭转轴支撑座之间距离连续可调，结合试件支撑座与扭转轴支撑座上的长形螺栓孔以及底座上的两排螺栓孔，从而适应不同长度桁架试件的固定和加载；通过本发明获取的复合材料桁架的实验数据准确率高，误差小。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是第一三角连接板与第一位移测量器之间的初始位置关系，图3是第二三角连接板与第二位移测量器之间的初始位置关系，图4是加载力臂的结构示意图，图5是悬挂重物的结构示意图，图6是实施例中桁架扭转加载载荷-位移图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料桁架扭转实验装置包括底座1、桁架试件支撑座2、扭转轴支撑座3、扭转轴4、加载力臂法兰盘5、加载力臂6、第一三角连接板7、第二三角连接板8、悬挂重物9、第一位移测量器11和第二位移测量器12，底座1上表面的中部沿长度方向设有滑槽1-1，桁架试件支撑座2和扭转轴支撑座3并排设置在底座1上表面的滑槽1-1中，桁架试件10的一端通过第一三角连接板7与桁架试件支撑座2连接，桁架试件10的另一端通过第二三角连接板8与扭转轴4的一端连接，扭转轴4安装在扭转轴支撑座3上，扭转轴4的另一端通过加载力臂法兰盘5与加载力臂6的一端连接，悬挂重物9通过挂钩与加载力臂6的另一端连接，第一位移测量器11的测头与第一三角连接板7的一侧接触，且第一位移测量器11的测头的轴线水平指向第一三角连接板7的几何中心，第二位移测量器12的测头与第二三角连接板8的一侧接触，且第二位移测量器12的测头的轴线水平指向第二三角连接板8的几何中心。

本实施方式的中的第一位移测量器11和第二位移测量器12可以选用百分表、千分表或位移计。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料桁架扭转实验装置的底座1上表面沿滑槽1-1对称设有两排螺栓孔1-2。

本实施方式中每个螺栓孔1-2为长形孔，长形孔的作用是使试件支撑座2与扭转轴支撑座3之间的距离可以小幅度变化。

本实施方式的技术效果是：通过两排螺栓孔1-2使得桁架试件支撑座2与扭转轴支撑座3可在滑槽1-1上不同位置固定，以便使本实验装置适合不同长度范围的桁架试件。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料桁架扭转实验装置的桁架试件支撑座2包括底板2-1、立板2-2和两个加强筋板2-3，立板2-2竖直设置在底板2-1上，两个加强筋板2-3并排平行设置在立板2-2的一侧。

本实施方式的技术效果是：两个加强筋板2-3加强了桁架试件支撑座2的承载能力。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料桁架扭转实验装置的加载力臂6的另一端沿加载力臂6长度方向设有一排扭矩调整孔6-1。

本实施方式的技术效果是：多个扭矩调整孔6-1便于调整加载扭矩的大小。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种复合材料桁架扭转实验装置还包括四个辅助支脚13，四个辅助支脚13均布设置在底座1两端的外侧。

本实施方式的技术效果是：四个辅助支脚13增大了底座1与地面的接触范围，提高了实验装置的稳定性。

具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种利用具体实施方式一所述装置进行复合材料桁架扭转实验的方法的具体步骤如下：

步骤一、将底座1水平放置，将桁架试件支撑座2和扭转轴支撑座3安装在底座1上表面的滑槽1-1中；

步骤二、将桁架试件10两端弦杆端部擦净，打磨弦杆端部并在弦杆端部均匀涂覆常温固化树脂胶粘剂，然后将弦杆端部插入法兰中，将桁架试件10的一端与第一三角连接板7连接，将桁架试件10的另一端与第二三角连接板8连接，第二三角连接板8与扭转轴支撑座3上的扭转轴4的一端连接，扭转轴4的另一端通过加载力臂法兰盘5与加载力臂6的一端连接，通过螺栓将桁架试件支撑座2与扭转轴支撑座3固定在底座1上，将第一三角连接板7与桁架试件支撑座2固定；

步骤三、调整并固定第一位移测量器11和第二位移测量器12，使第一位移测量器11的测头的轴线水平指向第一三角连接板7的几何中心，第二位移测量器12的测头的轴线水平指向第二三角连接板8的几何中心；

步骤四、通过加载力臂6另一端的悬挂重物9带动扭转轴4转动；

步骤五、计算桁架试件10的扭转角与扭转刚度：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{\sqrt{3}{l}_a}{6a+{2l}_a}-\arccos \frac{\sqrt{3}{l}_b}{6b+{2l}_b}$          ①

${\mathrm{GI}}_p=\frac{T\·L}{\mathrm{\θ}}$

②

公式①和②中，θ表示桁架试件10扭转角，a表示第二位移测量器12的读值，b表示第一位移测量器11的读值，l_a表示第二三角连接板8的边长，l_b表示第一三角连接板7的边长，GI_p表示桁架试件10的扭转刚度，T表示加载扭矩值，L表示桁架试件10的长度。

本实施方式的步骤五中桁架试件一端固定，通过在加载力臂加载端悬挂重物带动扭转轴转动，从而实现对桁架另一端的扭转加载。使用标尺测量悬挂重物与加载力臂固定端水平距离，计算该距离和重物重量之积即可得到加载扭矩值。桁架扭转角为第二三角连接板与第一三角连接板转角之差，连接板转角由位移测量装置所记录数据转换得到；

实施例

以碳纤维拉挤杆桁架扭转刚度实验为例，实验过程中逐级加载，加载达到最大值后再逐级卸载，记录整个加载过程的相关数据并计算每一次加载后的桁架扭转角，进而计算桁架扭转刚度，实验原始数据及有关结果如表一所示：

表1桁架扭转刚度实验记录及有关实验结果

从表一和图6中可以看出，实验数据离散性很小，加卸载过程相关数据保持一致，图6中载荷-位移曲线保持高度线性，本发明复合材料桁架实验装置及方法所得实验结果具有较高可信度。

Claims (6)

1.一种复合材料桁架扭转实验装置，其特征在于：所述一种复合材料桁架扭转实验装置包括底座(1)、桁架试件支撑座(2)、扭转轴支撑座(3)、扭转轴(4)、加载力臂法兰盘(5)、加载力臂(6)、第一三角连接板(7)、第二三角连接板(8)、悬挂重物(9)、第一位移测量器(11)和第二位移测量器(12)，底座(1)上表面的中部沿长度方向设有滑槽(1-1)，桁架试件支撑座(2)和扭转轴支撑座(3)并排设置在底座(1)上表面的滑槽(1-1)中，桁架试件(10)的一端通过第一三角连接板(7)与桁架试件支撑座(2)连接，桁架试件(10)的另一端通过第二三角连接板(8)与扭转轴(4)的一端连接，扭转轴(4)安装在扭转轴支撑座(3)上，扭转轴(4)的另一端通过加载力臂法兰盘(5)与加载力臂(6)的一端连接，悬挂重物(9)通过挂钩与加载力臂(6)的另一端连接，第一位移测量器(11)的测头与第一三角连接板(7)的一侧接触，且第一位移测量器(11)的测头的轴线水平指向第一三角连接板(7)的几何中心，第二位移测量器(12)的测头与第二三角连接板(8)的一侧接触，且第二位移测量器(12)的测头的轴线水平指向第二三角连接板(8)的几何中心。

2.根据权利要求1所述一种复合材料桁架扭转实验装置，其特征在于：底座(1)上表面沿滑槽(1-1)对称设有两排螺栓孔(1-2)。

3.根据权利要求1所述一种复合材料桁架扭转实验装置，其特征在于：桁架试件支撑座(2)包括底板(2-1)、立板(2-2)和两个加强筋板(2-3)，立板(2-2)竖直设置在底板(2-1)上，两个加强筋板(2-3)并排平行设置在立板(2-2)的一侧。

4.根据权利要求1所述一种复合材料桁架扭转实验装置，其特征在于：加载力臂(6)的另一端沿加载力臂(6)长度方向设有一排扭矩调整孔(6-1)。

5.根据权利要求1、2、3或4所述一种复合材料桁架扭转实验装置，其特征在于：所述一种复合材料桁架扭转实验装置还包括四个辅助支脚(13)，四个辅助支脚(13)均布设置在底座(1)两端的外侧。

6.一种利用权利要求1所述装置进行复合材料桁架扭转实验的方法，其特征在于：所述一种复合材料桁架扭转实验的方法的具体步骤如下：

步骤一、将底座(1)水平放置，将桁架试件支撑座(2)和扭转轴支撑座(3)安装在底座(1)上表面的滑槽(1-1)中；

步骤二、将桁架试件(10)两端弦杆端部擦净，打磨弦杆端部并在弦杆端部均匀涂覆常温固化树脂胶粘剂，然后将弦杆端部插入法兰中，将桁架试件(10)的一端与第一三角连接板(7)连接，将桁架试件(10)的另一端与第二三角连接板(8)连接，第二三角连接板(8)与扭转轴支撑座(3)上的扭转轴(4)的一端连接，扭转轴(4)的另一端通过加载力臂法兰盘(5)与加载力臂(6)的一端连接，通过螺栓将桁架试件支撑座(2)与扭转轴支撑座(3)固定在底座(1)上，将第一三角连接板(7)与桁架试件支撑座(2)固定；

步骤三、调整并固定第一位移测量器(11)和第二位移测量器(12)，使第一位移测量器(11)的测头的轴线水平指向第一三角连接板(7)的几何中心，第二位移测量器(12)的测头的轴线水平指向第二三角连接板(8)的几何中心；

步骤四、通过加载力臂(6)另一端的悬挂重物(9)带动扭转轴(4)转动；

步骤五、计算桁架试件(10)的扭转角与扭转刚度：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{\sqrt{3}{l}_a}{6a+{2l}_a}-\arccos \frac{\sqrt{3}{l}_b}{6b+{2l}_b}$          ①

${\mathrm{GI}}_p=\frac{T\·L}{\mathrm{\θ}}$

②

公式①和②中，θ表示桁架试件(10)扭转角，a表示第二位移测量器(12)的读值，b表示第一位移测量器(11)的读值，l_a表示第二三角连接板(8)的边长，l_b表示第一三角连接板(7)的边长，GI_p表示桁架试件(10)的扭转刚度，T表示加载扭矩值，L表示桁架试件(10)的长度。

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