CN103293056A - 加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具及方法，加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具包括一个半圆球座(1)、一个可以在半圆球座(1)内活动的半圆球头(2)；半圆球座(1)固定在试验机的下加载板(10)的中间位置上，下加载板(10)与试验机的加载作动筒相连；在半圆球座(1)内均匀涂抹润滑油，在半圆球头(2)上也均匀涂抹润滑油并将其置于半圆球座(1)内，使半圆球头(2)在受压缩载荷作用时在半圆球座(1)内能够活动；采用本发明提出的端部支持系数测定及调整方法，可以有效确定并调整加筋板轴压稳定性试验时的端部支持状态，并为试验分析提供依据。

Description

加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具及方法

技术领域

本发明属于飞机结构强度测试技术，涉及加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具及加载端端部支持系数测定和调整方法。

背景技术

加筋板结构是工程中应用比较广泛的一种结构，它能以少量的重量代价大幅提高板类零件的承载能力，因此具有重量轻、结构效率高等特点，是现代航空、航天以及航海领域大量采用的结构形式。当该型结构受面内压缩、剪切、弯曲和扭转等载荷作用时，常见的失效模式为丧失稳定性(简称“屈曲”或“失稳”)。事实上，该型结构在屈曲后并不会发生破坏，仍然具有承载能力，即后屈曲承载能力。为了保证结构的使用安全，需要对加筋板结构进行稳定性分析，从而为工程应用提供依据。

稳定性试验是结构稳定性分析过程中必不可少的步骤。进行结构元件的稳定性试验的目的在于：(1)在结构的初步设计阶段时，需要进行结构的选型试验，尤其是对于新的结构形式，要通过选型试验确定结构设计形式的合理性；(2)对于受力严重、关键部位的结构元件或计算分析无把握的结构元件，需进行典型结构的稳定性校核试验，以确保结构使用的可靠性。稳定性试验是一项实施起来较为复杂的过程，特别是对于大型结构试验件而言，载荷的施加及边界条件的确定均存在一定的难度。另外，在加筋板结构试验件和加载夹具的加工制造过程中不可避免的存在着几何误差，这就会使加载的对称性和均匀性难以保证。

静力试验中，试验件边界支持条件的确定是试验很重要的一个组成部分。典型的边界支持条件主要有简支、固支和自由3种。实际结构中，加筋板结构周边结构对它的支持介于简支和固支之间。加筋板结构稳定性试验中，支持夹具对试验件的支持条件大部分也介于简支与固支之间。目前采用的加筋板稳定性试验平台能够实现满足模拟简支到固支之间的任意形式，即支持系数为1的简支、支持系数为1～4之间的支持、支持系数为4的固支，且具有较高的加载精度。存在的不足在于，现有试验平台的通用性不强，对于不同的支持条件需要使用不同类型的加载支持夹具，且安装较为复杂；而且对于不同结构尺寸的试验件，需要给每一种尺寸的试验件加工其专用的夹具，这不仅对加工精度要求较高，还会增加试验成本。

发明内容

对于受轴向压缩载荷的加筋板结构，理想的受力形式是要保证载荷通过加筋板结构的形心，并保证结构受载均匀，这就要求在试验过程中需要不断地根据试验结构的受力情况对其安装位置进行调整。因此，设计合理的夹具，使其既能有效的施加载荷，又能便于调节安装位置，是获取有效试验数据的前提。本发明的目的在于为典型加筋板结构轴向压缩稳定性能试验提供一套通用试验夹具以及适用于本试验夹具的加载端支持系数测定和调整方法。

本发明的技术方案如下：

一种加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具，包括一个半圆球座(1)、一个可以在半圆球座(1)内活动的半圆球头(2)；半圆球座(1)固定在试验机的下加载板(10)的中间位置上，下加载板(10)与试验机的加载作动筒相连；在半圆球座(1)内均匀涂抹润滑油，在半圆球头(2)上也均匀涂抹润滑油并将其置于半圆球座(1)内，使半圆球头(2)在受压缩载荷作用时在半圆球座(1)内能够活动；下平台(5)固定于半圆球头(2)的上平面，下平台(5)可随半圆球头(2)转动；下卡槽(6)置于下平台(5)的上平面，下卡槽(6)用于放置并固定加筋板试验件(12)下加载端头；上平台(3)通过螺栓固定于试验机的上加载板(9)的中间位置；上卡槽(4)通过吊板(8)置于上平台(3)的下平面，上卡槽(4)用于放置并固定加筋板试验件(12)上加载端头，吊板(8)通过螺栓与上加载板(9)固定；在上卡槽(4)和下卡槽(6)的两侧分别安装挡块(7)，通过挡块(7)上的螺栓来调整并固定上卡槽(4)和下卡槽(6)的位置，挡块(7)通过螺栓分别与上平台(3)和下平台(5)固定。

所述的加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具进行加载端端部支持系数测定和调整的方法，包括以下步骤：

步骤(a)：以与加筋板试验件(12)蒙皮具有相同长度、宽度、厚度以及材料性能相同的矩形平板，在平板两侧沿长度方向1/4、1/2、3/4处对称位置分别粘贴电阻式应变单片(13)各5片；

步骤(b)：将平板置于权利要求1所述的试验夹具中，平板上下端部分别置于夹具上卡槽(4)和下卡槽(6)中，使平板形心与试验机加载中心、试验夹具形心同轴；为模拟加筋板试验件(12)夹持段，用与加筋板试验件端部灌胶部分几何尺寸一致、材料性能相同或相近的板块夹持平板上下端部左右两侧，并分别通过上卡槽(4)和下卡槽(6)上的螺栓进行夹紧固定；

步骤(c)：对平板的压缩屈曲临界载荷进行估算，以确定试验载荷；所述的估算步骤如下：

(4)估算平板有效长度L′；

有效长度的计算公式为：

$L^{\′}=L/\sqrt{c}---\left(1\right)$

式中：L为平板的长度，c为平板端部支持系数；

假设一个平板端部支持系数c，可得到平板有效长度L′；

(5)估算平板压缩屈曲临界应力σ_cr；

试验过程中平板的边界条件近似为两加载边简支、非承载边自由的情况，因此板的工作状态近似为板柱，参考公式：

σ_cr＝k_cπ²E/(L′/ρ)²    (2)

式中：k_c为压缩屈曲系数；E为平板材料的弹性模量；L′为板柱有效长度；ρ为回转半径，

t为平板的厚度；将由公式(1)得到的有效长度L′代入公式(2)，即可求得平板压缩屈曲临界应力σ_cr；

(6)估算平板压缩屈曲临界载荷F_cr；

平板的压缩失稳临界载荷计算公式为：

F_cr＝σ_cr·A＝σ_cr·(b×t)    (3)

式中：A为平板的横截面积，b为平板宽度；

将由公式(2)得到的压缩屈曲临界应力σ_cr代入公式(3)，即可求得平板压缩屈曲临界载荷F_cr；

步骤(d)：在步骤(c)估算得到的屈曲临界载荷F_cr的30％以内进行加载调试，通过加载后测量平板对称位置上应变片的应变值来调整平板安装位置，保证对称位置上的应变片的值相对应，使得平板均匀受载，然后固定平板安装位置；

步骤(e)：按照估算载荷F_cr的5％为加载梯度，通过试验机对平板进行逐级加载，加载速率根据加载梯度而定；每级加载完成后测量并记录各应变片应变值；逐级加载直至平板发生屈曲失稳失效，之后卸载；

步骤(f)：根据所测应变数据，作出加载过程的载荷——应变曲线，载荷——应变曲线的应变突变拐点对应的载荷即认为是平板的压缩屈曲载荷F_cr′；

步骤(g)：计算平板的端部支持系数；

根据试验得到的压缩屈曲载荷F_cr′，将其值代入步骤(c)中公式(3)的F_cr，计算得到压缩屈曲临界应力σ_cr；再将得到的σ_cr代入公式(2)，计算得到平板的有效长度L′；最后将L′代入公式(1)，计算得到端部支持系数c；

步骤(f)：若计算所得到的支持系数c与要求支持系数不吻合，通过调整平板上下两端置于夹具上下卡槽内的深度以及平板端部两侧的螺栓夹紧力来改变支持系数；如果计算所得的支持系数偏小，则通过增加螺栓夹紧力来调整；如果计算所得的支持系数偏大，则通过减小螺栓夹紧力来调整，或者在上下卡槽内垫等厚度的钢板，使平板上下两端卡在卡槽内的深度减小，从而调整平板端部的受支持情况；同时调整螺栓夹紧力和平板两端在卡槽内的深度使支持系数调整得更加有效；

步骤(g)：改变状态后，重复步骤(a)到步骤(f)，直到支持系数满足要求。

本发明提出的一种加筋板结构轴向压缩稳定性试验方法实现的有益效果为：

(1)针对典型加筋板结构的轴向压缩稳定性试验夹具，加载球头与球座的自适应活动可以有效实现加载的对称性、对中性和均匀性，保证了试验的有效性；只要试验件端部几何尺寸小于夹具上下卡槽的几何尺寸，该套夹具可以满足不同试验件外形几何尺寸的试验要求，具有较强的通用性，节约了试验成本；该套夹具可满足支持系数在1～4之间的支持要求而不需要更换夹具，可满足工程上的需要。

(2)采用本发明提出的端部支持系数测定及调整方法，可以有效确定并调整加筋板轴压稳定性试验时的端部支持状态，并为试验分析提供依据。

附图说明

图1是本发明加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具结构侧视图；

图2是本发明加筋板结构压缩试验件示意图；

图3是本发明中用于测定试验夹具端部支持系数的平板贴片示意图；

其中，1-半圆球座、2-半圆球头、3-上平台、4-上卡槽、5-下平台、6-下卡槽、7-挡块、8-吊板、9-上加载板、10-下加载板、11-螺栓、12-加筋板试验件、13-电阻式应变单片。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具

参考图1，一种加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具包括：一个半圆球座1、一个可以在半圆球座1内活动的半圆球头2、加载平台和固定试验件端头的卡槽、以及固定卡槽位置的挡块。试验过程中，加筋板受载的对称性和均匀性主要通过半圆球头在半圆球座内的自适应活动来实现。安装时要求夹具形心与试验机加载中心同轴。

半圆球座1固定在试验机的下加载板10的中间位置上，下加载板10与试验机的加载作动筒相连；在半圆球座1内均匀涂抹润滑油，在半圆球头2上也均匀涂抹润滑油并将其置于半圆球座1内，使半圆球头2在受压缩载荷作用时在半圆球座1内可在一定程度内活动；下平台5固定于半圆球头2的上平面，下平台5可随半圆球头2转动；下卡槽6置于下平台5的上平面，下卡槽6用于放置并固定加筋板试验件12下加载端头；上平台3通过螺栓固定于试验机的上加载板9的中间位置上；上卡槽4通过吊板8置于上平台3的下平面，上卡槽4用于放置并固定加筋板试验件12上加载端头，吊板8通过螺栓与上加载板9固定；

为防止在加载过程中受偏心力的作用导致上卡槽4和下卡槽6的侧向滑动，在上卡槽4和下卡槽6的两侧分别安装挡块7，通过挡块7上的螺栓来调整并固定上卡槽4和下卡槽6的位置，挡块7通过螺栓分别与上平台3和下平台5固定。

所述的典型加筋板试验件12形式如图2所示，端部夹持段进行灌胶处理，与支持夹具固定，从而可以方便夹持及加载，并避免试验件本身端部受损伤。

实施例2试验夹具端部支持系数的测定与调整

适用于本试验夹具的加载端支持系数测定和调整方法，其包括如下步骤：

步骤(a)：以与加筋板试验件12蒙皮具有相同长度、宽度、厚度以及材料性能相同的矩形平板，在平板两侧沿长度方向1/4、1/2、3/4处对称位置分别粘贴电阻式应变单片13各5片，如图3。

步骤(b)：将平板置于实施例1的试验夹具中，平板上下端部分别置于夹具上卡槽4和下卡槽6中，使平板形心与试验机加载中心、试验夹具形心同轴；为模拟加筋板试验件12夹持段，用与加筋板试验件端部灌胶部分几何尺寸一致、材料性能相同或相近的板块夹持平板上下端部左右两侧，并分别通过上卡槽4和下卡槽6上的螺栓进行夹紧固定；螺栓夹紧力通过等力矩扳手控制，使每个螺栓的夹紧力一致。

步骤(c)：对平板的压缩屈曲临界载荷进行估算，以确定试验载荷。估算步骤如下。

(7)估算平板有效长度L′。

有效长度的计算公式为：

$L^{\′}=L/\sqrt{c}---\left(1\right)$

式中：L为平板的长度，c为平板端部支持系数。

假设一个平板端部支持系数c，可得到平板有效长度L′。

(8)估算平板压缩屈曲临界应力σ_cr。

试验过程中平板的边界条件近似为两加载边简支、非承载边自由的情况，因此板的工作状态近似为板柱，参考1996年航空工业出版社出版的崔德刚主编的《结构稳定性设计手册》第17页第二章的公式(2-10)：

σ_cr＝k_cπ²E/(L′/ρ)²    (2)

式中：k_c为压缩屈曲系数，可根据试验所用的平板尺寸，查《结构稳定性设计手册》图2-8(a)取得；E为平板材料的弹性模量；L′为板柱有效长度；ρ为回转半径，t为平板的厚度。

将由公式(1)得到的有效长度L′代入公式(2)，即可求得平板压缩屈曲临界应力σ_cr。

(9)估算平板压缩屈曲临界载荷F_cr。

平板的压缩失稳临界载荷计算公式为：

F_cr＝σ_cr·A＝σ_cr·(b×t)    (3)

式中：A为平板的横截面积，b为平板宽度。

将由公式(2)得到的压缩屈曲临界应力σ_cr代入公式(3)，即可求得平板压缩屈曲临界载荷F_cr。

步骤(d)：在步骤(c)估算得到的屈曲临界载荷F_cr的30％以内进行加载调试，通过加载后测量平板对称位置上应变片的应变值来调整平板安装位置，保证对称位置上的应变片的值相对应，使得平板均匀受载，然后固定平板安装位置。

步骤(e)：按照估算载荷F_cr的5％为加载梯度，通过试验机对平板进行逐级加载，加载速率根据加载梯度而定；每级加载完成后测量并记录各应变片应变值；逐级加载直至平板发生屈曲失稳失效，之后卸载。

步骤(f)：根据所测应变数据，作出加载过程的载荷——应变曲线，载荷——应变曲线的应变突变拐点对应的载荷即认为是平板的压缩屈曲载荷F_cr′。

步骤(g)：计算平板的端部支持系数。

根据试验得到的压缩屈曲载荷F_cr′，将其值代入步骤(c)中公式(3)的F_cr，计算得到压缩屈曲临界应力σ_cr；再将得到的σ_cr代入公式(2)，计算得到平板的有效长度L′；最后将L′代入公式(1)，计算得到端部支持系数c。

步骤(f)：若计算所得到的支持系数与要求支持系数不吻合，通过调整平板上下两端置于夹具上下卡槽内的深度以及平板端部两侧的螺栓夹紧力来改变支持系数。如果计算所得的支持系数偏小，则通过增加螺栓夹紧力来调整；如果计算所得的支持系数偏大，则通过减小螺栓夹紧力来调整，或者在上下卡槽内垫等厚度的钢板，使平板上下两端卡在卡槽内的深度减小，从而调整平板端部的受支持情况。同时调整螺栓夹紧力和平板两端在卡槽内的深度使支持系数调整得更加有效。

步骤(g)：改变状态后，重复步骤(a)到步骤(f)，直到支持系数满足要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具，其特征在于，包括一个半圆球座(1)、一个可以在半圆球座(1)内活动的半圆球头(2)；半圆球座(1)固定在试验机的下加载板(10)的中间位置上，下加载板(10)与试验机的加载作动筒相连；在半圆球座(1)内均匀涂抹润滑油，在半圆球头(2)上也均匀涂抹润滑油并将其置于半圆球座(1)内，使半圆球头(2)在受压缩载荷作用时在半圆球座(1)内能够活动；下平台(5)固定于半圆球头(2)的上平面，下平台(5)可随半圆球头(2)转动；下卡槽(6)置于下平台(5)的上平面，下卡槽(6)用于放置并固定加筋板试验件(12)下加载端头；上平台(3)通过螺栓固定于试验机的上加载板(9)的中间位置；上卡槽(4)通过吊板(8)置于上平台(3)的下平面，上卡槽(4)用于放置并固定加筋板试验件(12)上加载端头，吊板(8)通过螺栓与上加载板(9)固定；在上卡槽(4)和下卡槽(6)的两侧分别安装挡块(7)，通过挡块(7)上的螺栓来调整并固定上卡槽(4)和下卡槽(6)的位置，挡块(7)通过螺栓分别与上平台(3)和下平台(5)固定。 

2.根据权利要求1所述的加筋板结构轴向压缩稳定性试验夹具进行加载端端部支持系数测定和调整的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤(a)：以与加筋板试验件(12)蒙皮具有相同长度、宽度、厚度以及材料性能相同的矩形平板，在平板两侧沿长度方向1/4、1/2、3/4处对称位置分别粘贴电阻式应变单片(13)各5片； 

步骤(b)：将平板置于权利要求1所述的试验夹具中，平板上下端部分别置于夹具上卡槽(4)和下卡槽(6)中，使平板形心与试验机加载中心、试验夹具形心同轴；为模拟加筋板试验件(12)夹持段，用与加筋板试验件端部灌胶部分几何尺寸一致、材料性能相同或相近的板块夹持平板上下端部左右两侧，并分别通过上卡槽(4)和下卡槽(6)上的螺栓进行夹紧固定； 

步骤(c)：对平板的压缩屈曲临界载荷进行估算，以确定试验载荷；所述的估算步骤如下： 

(1)估算平板有效长度L′； 

有效长度的计算公式为：

式中：L为平板的长度，c为平板端部支持系数； 

假设一个平板端部支持系数c，可得到平板有效长度L′； 

(2)估算平板压缩屈曲临界应力σ_cr； 

试验过程中平板的边界条件近似为两加载边简支、非承载边自由的情况，因此板的工作状态近似为板柱，参考公式： 

σ_cr＝k_cπ²E/(L′/ρ)²          (2) 

式中：k_c为压缩屈曲系数；E为平板材料的弹性模量；L′为板柱有效长度；ρ为回转半径，

t为平板的厚度；将由公式(1)得到的有效长度L′代入公式(2)，即可求得平板压缩屈曲临界应力σ_cr； 

(3)估算平板压缩屈曲临界载荷F_cr； 

平板的压缩失稳临界载荷计算公式为： 

F_cr＝σ_cr·A＝σ_cr·(b×t)          (3) 

式中：A为平板的横截面积，b为平板宽度； 

将由公式(2)得到的压缩屈曲临界应力σ_cr代入公式(3)，即可求得平板压缩屈曲临界载荷F_cr； 

步骤(d)：在步骤(c)估算得到的屈曲临界载荷F_cr的30％以内进行加载调试，通过加载后测量平板对称位置上应变片的应变值来调整平板安装位置，保证对称位置上的应变片的值相对应，使得平板均匀受载，然后固定平板安装位置； 

步骤(e)：按照估算载荷F_cr的5％为加载梯度，通过试验机对平板进行逐级加载，加载速率根据加载梯度而定；每级加载完成后测量并记录各应变片应变值；逐级加载直至平板发生屈曲失稳失效，之后卸载； 

步骤(f)：根据所测应变数据，作出加载过程的载荷——应变曲线，载荷——应变曲线的应变突变拐点对应的载荷即认为是平板的压缩屈曲载荷F_cr′； 

步骤(g)：计算平板的端部支持系数； 

根据试验得到的压缩屈曲载荷F_cr′，将其值代入步骤(c)中公式(3)的F_cr，计算得到压缩屈曲临界应力σ_cr；再将得到的σ_cr代入公式(2)，计算得到平板的有效长度L′；最后将L′代入公式(1)，计算得到端部支持系数c； 

步骤(h)：若计算所得到的支持系数c与要求支持系数不吻合，通过调整平板上下两端置于夹具上下卡槽内的深度以及平板端部两侧的螺栓夹紧力来改变支持系数；如果计算所得的支持系数偏小，则通过增加螺栓夹紧力来调整；如果计算所得的支持系数偏大，则通过减小螺栓夹紧力来调整，或者在上下卡槽内垫等厚度的钢板，使平板上下两端卡在卡槽内的深度减小，从而调整平板端部的受支持情况；同时调整螺栓夹紧力和平板两端在卡槽内的深度使支持系数调整得更加有效； 

步骤(i)：改变状态后，重复步骤(a)到步骤(h)，直到支持系数满足要求。 

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