CN103196757B - 一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料杆件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杆件扭转实验装置及方法。本发明为了解决现有杆件扭转实验装置及方法成本较高、结构复杂、操作繁琐、扭转角度小，且试件尺寸限制较大的问题。本发明的第一试件法兰盘固定安装在试件支撑座与扭转轴支撑机构相对的一侧面上，试件的一端与第一试件法兰盘连接，试件的另一端与第二试件法兰盘连接，扭转轴安装在扭转轴支撑机构上，悬挂重物组件设置在加载力臂的另一端上，第一试件法兰盘的边缘粘贴矩形铝片，第二试件法兰盘的边缘粘贴矩形铝片。本发明用于复合材料杆件扭转实验。

Description

一种碳纤维拉挤空心圆杆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，具体涉及一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置及方法。

背景技术

复合材料结构具有比强度高、比模量大、热稳定性好、性能可设计等优势，在航空航天、土建结构、体育器材等领域获得了大量的应用。复合材料杆件是复合材料结构的基本组成部件，其力学承载性能是复合材料结构整体承载性能的关键。扭转工况或包括扭转的组合工况是复合材料杆件常见的受载工况，因此，复合材料结构分析设计过程中需要了解复合材料杆件的扭转性能。由于复合材料本身的复杂性，并且已成型复合材料构件性能受制备工艺的影响很大，因此对复合材料杆件的扭转性能预报还存在一些问题，通过实验手段研究其扭转性能就显得尤为重要。

目前，扭转实验机是较为常见的扭转实验设备，在扭转实验机平台上可以进行部分复合材料杆件的扭转实验。但是该过程需要加工配套工装，并且扭转实验机本身成本较高、结构复杂，需要进行定期维修和保养，对实验人员要求较高，试件尺寸受到较大限制，扭转角度也不能太大。目前可以进行复合材料杆件扭转实验的装置及方法，还不能满足低成本、简单易操作、试件尺寸范围大，并且具有较高实验精度的要求。

发明内容

本发明为解决现有杆件扭转实验装置及方法成本较高、结构复杂、操作繁琐、扭转角度小，且试件尺寸限制较大的问题，进而提出一种碳纤维拉挤空心圆杆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、试件支撑座、扭转轴支撑机构、扭转轴、加载力臂、悬挂重物组件、第一试件法兰盘、第二试件法兰盘、第一扭转轴法兰盘和第二扭转轴法兰盘，底座上表面的中部沿长度方向设有滑槽，试件支撑座、扭转轴支撑机构并排平行设置在底座上表面中部的滑槽内，第一试件法兰盘固定安装在试件支撑座与扭转轴支撑机构相对的一侧面上，试件的一端与第一试件法兰盘连接，试件的另一端与第二试件法兰盘连接，试件的长度范围0.1m～2m，扭转轴安装在扭转轴支撑机构上，扭转轴的一端通过第一扭转轴法兰盘与第二试件法兰盘连接，扭转轴的另一端通过第二扭转轴法兰盘与加载力臂的一端连接，悬挂重物组件设置在加载力臂的另一端上，第一试件法兰盘的边缘粘贴矩形铝片，第二试件法兰盘的边缘粘贴矩形铝片，且每个矩形铝片的一侧面与一个位移测量装置的测头接触，第一试件法兰盘上的矩形铝片与位移测量装置测头接触的一侧面可延伸通过第一试件法兰盘的几何中心线，第二试件法兰盘上的矩形铝片与位移测量装置测头接触的一侧面可延伸通过第二试件法兰盘的几何中心线。

本发明所述方法的具体步骤如下：

步骤一、将试件的一端与第一试件法兰盘连接，试件的另一端与第二试件法兰盘连接，使每个位移测量装置的测头与相对应的矩形铝片的被测面垂直接触；

步骤二、通过加载力臂另一端上的悬挂重物组件带动扭转轴转动，实现对试件的加载；

步骤三、计算试件的扭转角和扭转刚度：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{a}{l_a}-\arctan \frac{b}{l_b}$       ①

${\mathrm{GI}}_p=\frac{T\·L}{\mathrm{\θ}}$       ②

公式①和②中θ表示试件扭转角，a表示第二试件法兰盘处位移测量装置读值，b表示第一试件法兰盘处位移测量装置读值，l_a表示初始状态下第二试件法兰盘处位移测量装置的测头端点到第二试件法兰盘的轴线距离，l_b表示初始状态下第一试件法兰盘处位移测量装置的测头端点到第一试件法兰盘的轴线距离，GI_p表示试件的扭转刚度，T表示加载扭矩值，L表示试件的长度。

本发明的有益效果是：本发明结构简单，制作成本比现有实验装置低50％以上，两排距离调整通孔使得试件支撑座2和扭转轴支撑机构3之间的距离在整个底座的长度范围内连续可调，从而使本实验装置能够适应较大范围的试件长度，适应试件的长度范围为0.1m～2m，第一试件法兰盘与第二试件法兰盘可根据试件的尺寸随时调整，从而使本实验装置能够适应较大范围的试件截面尺寸，适应试件截面尺寸范围为1cm～10cm。

附图说明

图1是本发明的主视图，图2是图1的俯视图，图3是矩形铝片与位移测量装置的位置示意图，图4是悬挂重物组件的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置包括底座1、试件支撑座2、扭转轴支撑机构3、扭转轴4、加载力臂5、悬挂重物组件6、第一试件法兰盘7、第二试件法兰盘8、第一扭转轴法兰盘9和第二扭转轴法兰盘10，底座1上表面的中部沿长度方向设有滑槽1-1，试件支撑座2、扭转轴支撑机构3并排平行设置在底座1上表面中部的滑槽1-1内，第一试件法兰盘7固定安装在试件支撑座2与扭转轴支撑机构3相对的一侧面上，试件11的一端与第一试件法兰盘7连接，试件11的另一端与第二试件法兰盘8连接，扭转轴4安装在扭转轴支撑机构3上，扭转轴4的一端通过第一扭转轴法兰盘9与第二试件法兰盘8连接，扭转轴4的另一端通过第二扭转轴法兰盘10与加载力臂5的一端连接，悬挂重物组件6设置在加载力臂5的另一端上，第一试件法兰盘7的边缘粘贴矩形铝片，第二试件法兰盘8的边缘粘贴矩形铝片，且每个矩形铝片的一侧面与一个位移测量装置的测头接触，第一试件法兰盘7上的矩形铝片与位移测量装置测头接触的一侧面可延伸通过第一试件法兰盘7的几何中心线，第二试件法兰盘8上的矩形铝片与位移测量装置测头接触的一侧面可延伸通过第二试件法兰盘8的几何中心线。

本实施方式中试件支撑座2和扭转轴支撑机构3上的螺栓孔均为长形螺栓孔，如此设置可以使试件11在试件支撑座2和扭转轴支撑机构3之间可以进行微调。

本实施方式中位移测量装置可根据实际精度和量程要求具体选择，可以是百分表、千分表，或者是位移计等。

本实施方式中试件支撑座2和扭转轴支撑机构3可沿滑槽1-1滑动，方便实验装置的精确定位安装。

本实施方式中的第一试件法兰盘7与第二试件法兰盘8可根据试件的尺寸随时调整，从而使本实验装置能够适应较大范围的试件截面尺寸。

具体实施方式二：结合体图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置的扭转轴支撑机构3包括底板3-1、第一立板3-2和第二立板3-3，第一立板3-2与第二立板3-3并排平行设置在底板3-1上，且第一立板3-2沿长度方向的中心线与底板3-1的上表面垂直，第二立板3-3沿长度方向的中心线与底板3-1的上表面垂直，扭转轴4的一端穿过第一立板3-2上轴承与第一扭转轴法兰盘9连接，扭转轴4的另一端穿过第二立板3-3上的轴承与第二扭转轴法兰盘10连接。

本实施方式的技术效果是：本实施方式使扭转轴支撑机构3具有较高的稳定性，并使作用于加载力臂5的扭矩能够完整地传递到扭转试件上。

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和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置的第一立板3-2与第二立板3-3相对的一侧面并排平行设有两个第一加强筋板3-4，第二立板3-3与第一立板3-2相对的一侧面并排平行设有两个第二加强筋板3-5。

本实施方式的技术效果是：本实施方式提高了扭转轴支撑机构3的承载性能。

其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置的加载力臂5的另一端设有多个力矩调整通孔，悬挂重物组件6通过挂钩与力矩调整通孔连接。

本实施方式的技术效果是：悬挂重物组件6挂在加载力臂5另一端上不同力矩调整通孔，从而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和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置的底座1的上表面上沿滑槽1-1对称设有两排距离调整通孔1-2。

本实施方式的技术效果是：两排距离调整通孔1-2使得试件支撑座2和扭转轴支撑机构3之间的距离在整个底座1的长度范围内连续可调，从而使本实验装置能够适应较大范围的试件长度。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置的底座1两端的外侧均布设有四个带有加强筋的辅助支脚12。

本实施方式的技术效果是：四个辅助支脚12增大了底座1接地范围，提高实验装置的稳定性。

其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1、图2和图3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碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验的方法的具体步骤如下：

步骤一、将试件11的一端与第一试件法兰盘7连接，试件11的另一端与第二试件法兰盘8连接，使每个位移测量装置的测头与相对应的矩形铝片的被测面垂直接触；

步骤二、通过加载力臂5另一端上的悬挂重物组件6带动扭转轴4转动，实现对试件11的加载；

步骤三、计算试件11的扭转角和扭转刚度：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{a}{l_a}-\arctan \frac{b}{l_b}$       ①

${\mathrm{GI}}_p=\frac{T\·L}{\mathrm{\θ}}$       ②

公式①和②中θ表示试件11扭转角，a表示第二试件法兰盘8处位移测量装置读值，b表示第一试件法兰盘7处位移测量装置读值，l_a表示初始状态下第二试件法兰盘8处位移测量装置的测头端点到第二试件法兰盘8的轴线距离，l_b表示初始状态下第一试件法兰盘7处位移测量装置的测头端点到第一试件法兰盘7的轴线距离，GI_p表示试件11的扭转刚度，T表示加载扭矩值，L表示试件11的长度。

本实施方式的步骤一中初始时刻要使得位移测量装置的测头与铝片侧面垂直。

本实施方式的步骤三中 $\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_a-{\mathrm{\θ}}_b=\arctan \frac{a}{l_a}-\arctan \frac{b}{l_b}$ ③，其中 ${\mathrm{\θ}}_a=\arctan \frac{a}{l_a}$ ④，⑤，公式③、④、⑤中θ_a表示第二试件法兰盘转角；a表示第二试件法兰盘处位移测量装置读值；l_a表示第二试件法兰盘处位移测量装置的测头端点到第二试件法兰盘几何中心线的距离；θ_b表示第一试件法兰盘转角；b表示第一试件法兰盘处位移测量装置读值；l_b表示第一试件法兰盘处位移测量装置的测头端点到第一试件法兰盘几何中心线的距离。

实施例

对3根Φ20mm、壁厚2.25mm和3根Φ16mm、壁厚2mm的碳纤维拉挤空心圆杆进行扭转刚度实验，位移测量装置选择百分表，实验结果及计算值如表1所示。计算依据材料力学关于杆件扭转刚度的定义，即为GI_p，其中G为杆件截面剪切模量，本次实验中杆件材料截面剪切模量G₁₂＝G₁₃＝6.5GPa。实验过程中逐级加载：计算每一级载荷下杆件扭转角，进而计算杆件扭转刚度。

表1杆件扭转刚度实验结果及计算值

上述误差来源除了本发明实验装置及方法导致的误差外，还有试件生产工艺缺陷所导致的误差。结合上述相对误差值，该实验装置及方法可以对碳纤维拉挤空心圆杆进行扭转实验，实验结果满足工程精度要求，具有较高可信度。

Claims (7)

1.一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置，其特征在于：所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置包括底座(1)、试件支撑座(2)、扭转轴支撑机构(3)、扭转轴(4)、加载力臂(5)、悬挂重物组件(6)、第一试件法兰盘(7)、第二试件法兰盘(8)、第一扭转轴法兰盘(9)和第二扭转轴法兰盘(10)，底座(1)上表面的中部沿长度方向设有滑槽(1-1)，试件支撑座(2)、扭转轴支撑机构(3)并排平行设置在底座(1)上表面中部的滑槽(1-1)内，第一试件法兰盘(7)固定安装在试件支撑座(2)与扭转轴支撑机构(3)相对的一侧面上，试件(11)的一端与第一试件法兰盘(7)连接，试件(11)的另一端与第二试件法兰盘(8)连接，试件(11)的长度范围0.1m～2m，扭转轴(4)安装在扭转轴支撑机构(3)上，扭转轴(4)的一端通过第一扭转轴法兰盘(9)与第二试件法兰盘(8)连接，扭转轴(4)的另一端通过第二扭转轴法兰盘(10)与加载力臂(5)的一端连接，悬挂重物组件(6)设置在加载力臂(5)的另一端上，第一试件法兰盘(7)的边缘粘贴矩形铝片，第二试件法兰盘(8)的边缘粘贴矩形铝片，且每个矩形铝片的一侧面与一个位移测量装置的测头接触，第一试件法兰盘(7)上的矩形铝片与位移测量装置测头接触的一侧面可延伸通过第一试件法兰盘(7)的几何中心线，第二试件法兰盘(8)上的矩形铝片与位移测量装置测头接触的一侧面可延伸通过第二试件法兰盘(8)的几何中心线。

2.根据权利要求1所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置，其特征在于：扭转轴支撑机构(3)包括底板(3-1)、第一立板(3-2)和第二立板(3-3)，第一立板(3-2)与第二立板(3-3)并排平行设置在底板(3-1)上，且第一立板(3-2)沿长度方向的中心线与底板(3-1)的上表面垂直，第二立板(3-3)沿长度方向的中心线与底板(3-1)的上表面垂直，扭转轴(4)的一端穿过第一立板(3-2)上轴承与第一扭转轴法兰盘(9)连接，扭转轴(4)的另一端穿过第二立板(3-3)上的轴承与第二扭转轴法兰盘(10)连接。

3.根据权利要求2所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置，其特征在于：第一立板(3-2)与第二立板(3-3)相对的一侧面并排平行设有两个第一加强筋板(3-4)，第二立板(3-3)与第一立板(3-2)相对的一侧面并排平行设有两个第二加强筋板(3-5)。

4.根据权利要求1所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置，其特征在于：加载力臂(5)的另一端设有多个力矩调整通孔，悬挂重物组件(6)通过挂钩与力矩调整通孔连接。

5.根据权利要求1、2、3或4所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置，其特征在于：底座(1)的上表面上沿滑槽(1-1)对称设有两排距离调整通孔(1-2)。

6.根据权利要求5所述一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验装置，其特征在于：底座(1)两端的外侧均布设有四个带有加强筋的辅助支脚(12)。

7.一种利用权利要求1所述装置进行碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验的方法，其特征在于：一种碳纤维拉挤空心圆杆扭转实验方法的具体步骤如下：

步骤一、将试件(11)的一端与第一试件法兰盘(7)连接，试件(11)的另一端与第二试件法兰盘(8)连接，使每个位移测量装置的测头与相对应的矩形铝片的被测面垂直接触；

步骤二、通过加载力臂(5)另一端上的悬挂重物组件(6)带动扭转轴(4)转动，实现对试件(11)的加载；

步骤三、计算试件(11)的扭转角和扭转刚度：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{a}{l_a}-\arctan \frac{b}{l_b}$   ①

${\mathrm{GI}}_p=\frac{T\·L}{\mathrm{\θ}}$   ②

公式①和②中θ表示试件(11)扭转角，a表示第二试件法兰盘(8)处位移测量装置读值，b表示第一试件法兰盘(7)处位移测量装置读值，l_a表示初始状态下第二试件法兰盘(8)处位移测量装置的测头端点到第二试件法兰盘(8)的轴线距离，l_b表示初始状态下第一试件法兰盘(7)处位移测量装置的测头端点到第一试件法兰盘(7)的轴线距离，GI_p表示试件(11)的扭转刚度，T表示加载扭矩值，L表示试件(11)的长度。