CN103293059A - 低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置及方法，包括两个导向单元、两个加载单元、两个传递单元，两个固定单元、八个滑轨单元、八个螺栓顶紧单元、十六个螺栓连接单元及四个螺杆连接单元。本发明解决了含有初始低速冲击损伤复合材料层合板压缩疲劳试验中固定试件的问题，可以使得试件在低速冲击试验后无需剪裁便直接应用于压缩疲劳试验，通过本发明中的一些部件，固定试件的同时又保证了试件的对中性。

Description

低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明属于疲劳试验领域，具体来说，是一种低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置及方法。

背景技术

复合材料层合板以其比强度高、比刚度高、可设计性强等优点，已经成为现代航空航天领域不可缺少的材料之一，但是复合材料层合板由于其特殊的构成方式导致对冲击载荷比较敏感，尤其在承受低速冲击后，层合板表面几乎看不出损伤，而内部却会产生大面积基体开裂和层间分层等损伤，这些损伤会导致冲击后复合材料构件的压缩强度大大降低，而在压缩疲劳载荷下，这些损伤可以彼此诱发相互耦合，其损伤演化和破坏机理十分复杂。目前随着复合材料在飞行器主承力结构上的广泛应用，“静力覆盖疲劳”的说法已经不适应实际要求，因此对含有初始低速冲击损伤复合材料层合板进行压缩疲劳试验研究具有重要的意义。

现有技术中对于含有初始低速冲击损伤复合材料层合板的压缩疲劳试验方法仍没有统一标准，常用的一种方法就是将试件直接夹持在疲劳试验机上，但由于低速冲击试验标准中规定的试件的尺寸为长150mm×宽100mm，而疲劳试验机的夹头往往没有这么大的开口尺寸，这就要求试件在低速冲击试验后要进行裁剪才能进行疲劳试验，而且疲劳试验机的夹持力往往过大，直接夹持会导致试件在疲劳试验中容易在夹持处发生破坏。也有一些试验研究都是根据压缩静力试验的标准进行修改来完成，比较常用的标准就是HB-T6739-1993和GB/T3856-2005，其中HB-T6739-1993通过对试件四周进行固定，用端部加载的方式将载荷引入试样工作段，这种方法的优点是试件在做完低速冲击试验后不用剪裁直接可以做压缩试验，但是该方法中的加载方式是用一个“帽子”盖在试件上，压缩载荷通过“帽子”传递给试件，由于该种方法是为冲击后压缩剩余强度试验设计的，负责传递载荷的“帽子”也没有固定，试件与夹具间存在明显的空隙，在静力试验中，试件只需承受一次加载过程，而在疲劳试验中，试件和夹具间的反复摩擦会导致试件的周边首先发生破坏，因此该方法只适合于静力试验。GB/T3856-2005是采用剪切的方式将载荷引入试样工作段，其原理是通过圆锥形的楔形夹块将载荷以剪切的形式传递到试样上，但是圆筒形夹具的最大问题在于其导向作用的圆筒与加载用的圆锥体之间存在较大的间隙，而且夹具中加强片的厚度、平直度和平行度，都会影响夹具的对中度，因而在加载过程中会容易产生弯曲失稳的现象，而且该方法要求的试件类型并不是低速冲击试验中所用试件的尺寸，这就要求试件在低速冲击试验后要进行裁剪才能进行疲劳试验，这些在试验过程中都不方便实现。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术中无法将低速冲击试验后的复合材料层合板试件直接应用于压缩疲劳试验的不足，提供一种低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置及方法，解决了含有初始低速冲击损伤复合材料层合板压缩疲劳试验中固定试件的问题，使得复合材料层合板在低速冲击试验后无需剪裁，可直接用于压缩疲劳试验，在疲劳试验中，试件只能在1个自由度下沿着压缩载荷的方向移动，避免了疲劳试验中对试件的磨损，同时也很好的解决了试件在压缩载荷下对中性的问题，大大降低了压缩疲劳试验中失稳的可能性。

本发明技术解决方案：低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置，根据ASTMD7136-05标准，标准低速冲击试验件的尺寸为长150mm×宽100mm，而疲劳试验机的夹头往往没有这么大的开口尺寸，这就要求试件在低速冲击试验后要进行裁剪才能进行疲劳试验，而且疲劳试验机的夹持力往往过大，直接夹持会导致试件在疲劳试验中容易在夹持处发生破坏。通过本发明，可以使得试件在低速冲击试验后无需剪裁便直接应用于压缩疲劳试验，通过本发明中的一些部件，固定试件的同时又保证了试件的对中性。

试验装置包括两个导向单元1、两个加载单元2、两个传递单元3，两个固定单元4、八个滑轨单元5、八个螺栓顶紧单元6、十六个螺栓连接单元7及四个螺杆连接单元8；

每个导向单元1的外侧四个角开有四个圆孔10，用于连接螺杆连接单元8；在导向单元1的内侧开有八个螺纹孔11，用于连接滑轨单元5；导向单元1含有一个矩形孔12，用于在试验过程中观察试验；

加载单元2具有一个T形的孔槽14，用于放置传递单元3和固定单元4，在加载单元2的一侧含有四个螺栓孔13，用于放置螺栓顶紧单元6；

每个导向单元1通过螺栓连接单元7连接四个滑轨单元5，两个导向单元1通过螺杆连接单元8抱紧两个加载单元2，两个加载单元2开T形孔槽的一侧需要朝向内侧并相互对应，并保证两个加载单元2带螺栓孔的一侧朝一个方向，每个加载单元2中含有一个传递单元3和一个固定单元4，将试件装入试验装置后，通过螺栓顶紧单元6将固定单元顶向试件，使固定单元4与加载单元2将试件夹紧，此时试件在压缩载荷下只能随着加载单元2在导向单元1内部沿着压缩载荷的方向移动。

所述传递单元3为一个长方体，固定单元4为一个长方体，滑轨单元5为一个含有两个螺纹孔的长方体；螺栓顶紧单元6为一个螺栓，螺栓连接单元7为一个螺栓，螺杆连接单元为一根螺杆。

低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验方法，通过以下步骤实现：

步骤一、试件的制备

根据ASTM D7136-05标准，选取尺寸为长150mm×宽100mm的复合材料层合板试件，试件的厚度根据实际情况确定即可，通过低速冲击试验机对试件预制初始冲击损伤，将试件取下低速冲击试验机；

步骤二、按照上述阐述的结构组装试验装置；

步骤三、固定试件

将制备好的试件插入加载单元的T形孔槽中，一侧靠近加载单元，一侧靠近固定单元，通过螺栓顶紧单元，使固定单元与加载单元将试件夹紧；

步骤四、压缩疲劳试验

将组装好的试验装置放置于液压疲劳试验机的下夹头上，调整夹头位置，使上夹头与装置以较小的力接触，通过设定疲劳试验参数，即可进行疲劳试验。

本发明与现有技术相比的优点在于:

（1）本发明装置对于根据ASTM D7136-05标准制备的复合材料层合板试件可以无需剪裁直接用来做疲劳试验。

（2）固定好试件后，试件与装置的接触部分没有缝隙，试件在疲劳试验过程中不会因为晃动和摩擦在试件周边产生破坏。

（3）本发明对中性好，试验过程中试件只能在一个自由度下发生压缩位移，可以保证试件不会发生失稳破坏。

（4）本发明适合在任一款液压伺服疲劳试验机上进行操作，只要下夹头保持平整即可，对试验机夹头没有其他特殊要求。

附图说明

图1为本发明整体结构的示意图；

图2为本发明整体结构的正视图；

图3为本发明整体结构的右视图；

图4为本发明整体结构的俯视图；

图5为本发明中导向单元的正视图；

图6为本发明中导向单元的俯视图；

图7为本发明中加载单元的正视图；

图8为本发明中加载单元的右视图；

图9为本发明中传递单元的示意图；

图10为本发明中固定单元的示意图；

图11为本发明中滑轨单元的正视图；

图12为本发明中滑轨单元的右视图；

图13为本发明中螺栓顶紧单元的示意图；

图14为本发明中螺栓连接单元的示意图；

图15为本发明中螺杆连接单元的示意图；

图16为本发明中试件单元的示意图；

图17为本发明试验方法的实现流程图。

图中：

   1-导向单元          2-加载单元           3-传递单元

   4-固定单元          5-滑轨单元           6-螺栓顶紧单元

   7-螺栓连接单元      8-螺杆连接单元       9-试件

   10-导向单元的圆孔   11-导向单元的螺栓孔  12-导向单元的矩形孔槽

   13-加载单元的螺栓孔 14-加载单元的T形孔槽 15-滑轨单元的圆孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的针对含有初始低速冲击损伤复合材料层合板的压缩疲劳试验装置作进一步的详细说明。

如图1、2、3、4所示，本发明包括两个导向单元1，两个加载单元2，两个传递单元3，两个固定单元4，八个滑轨单元5，八个螺栓顶紧单元6，十六个螺栓连接单元7及四个螺杆连接单元8。每个导向单元1通过螺栓连接单元7共需要连接四个滑轨单元5，两个导向单元1通过四个螺杆连接单元8抱紧两个加载单元2，两个加载单元2开T形孔槽的一侧需要朝向内侧并相互对应，并保证两个加载单元带螺栓孔的一侧朝一个方向，每个加载单元2中含有一个传递单元3和一个固定单元4，将试件9装入试验装置后，通过螺栓顶紧单元6将固定单元4顶向试件，使固定单元4与加载单元2将试件9夹紧，此时试件9在压缩载荷下只能随着加载单元2在导向单元1内部沿着压缩载荷的方向移动。

如图5-图6所示，导向单元1在外侧四个角开有四个圆孔10，在内侧开有八个螺纹孔11，在其中一面开有一个矩形槽12，两个导向单元1通过四个螺杆连接单元8抱紧两个加载单元2，通过两个导向单元1限制加载单元2的自由度，使得加载单元2只能沿着导向单元1做上下移动。

如图7-图8所示，加载单元2具有一个T形的孔槽14，在加载单元的一侧含有四个螺栓孔13，两个加载单元开T形孔槽的一侧需要朝向内侧并相互对应，并保证两个加载单元带螺栓孔的一侧朝一个方向，固定好试件后，其中一个加载单元与疲劳试验机的下夹头接触，另外一个加载单元与疲劳试验机的上夹头接触，疲劳试验中通过两个夹头相对位移的变化施加压缩疲劳载荷。

如图9所示，传递单元3为一个长方体，每个加载单元中需要装配一个传递单元3，通过传递单元3将施加在加载单元2上的疲劳载荷传递给含有初始损伤的试件9。

如图10所示，固定单元4为一个长方体，每个加载单元中需要装配一个固定单元4，通过固定单元4固定试件9，使得试件9在加载单元2内部只能沿着压缩载荷的方向移动。

如图11-图12所示，滑轨单元5为一个含有两个螺纹孔的长方体，每个导向单元需要通过八个螺栓连接单元7连接四个滑轨单元5，在组装好是试验装置中，两个加载单元被导向单元抱紧后，加载单元沿着导向单元沿着压缩载荷的方向移动，本发明通过滑轨单元5减少疲劳试验过程中加载单元2与导向单元1之间的摩擦。

如图13所示，螺栓顶紧单元6为一个普通螺栓，每个加载单元2中需要装配四个螺栓顶紧单元6，通过螺栓顶紧单元6将固定单元4顶向试件9的一侧，使固定单元4与加载单元2将试件夹紧，具有固定试件9的功能。

如图14所示，螺栓连接单元7为一个普通螺栓，每个滑轨单元5与导向单元1的连接需要两个螺栓连接单元7，通过螺栓连接单元连接导向单元1和滑轨单元5。

如图15所示，螺杆连接单元8为一根普通螺杆，通过四个螺杆连接单元8连接两个导向单元1，从而使得两个导向单元可以抱紧加载单元，使得加载单元2在导向单元1中只能沿着压缩载荷的方向移动。

如图16所示，试件9的中心区域所示代表低速冲击损伤（业内对于复合材料的低速冲击损伤已经做了大量的研究，但关于复合材料低速冲击能量并没有定量的界定，不同的复合材料体系也具有不同的低速冲击能量，一般来说针对某种复合材料体系，低速冲击应代表可以造成冲击表面有几乎不可见的外在损伤，但冲击表面有0.3-0.5mm的凹坑深度，但是其内部已经出现了大量的层间分层，此时由于分层的影响会导致层合板的压缩强度急剧下降，所以需要研究低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳性能），试件9的长度方向即为压缩疲劳载荷的施加方向。

如图17所示，本发明应用于含有初始冲击损伤复合材料层合板的压缩疲劳试验方法，通过本发明提供的试验装置，可以无需对冲击后的试件剪裁，直接应用于压缩疲劳试验，并且很好的保证了加载过程中试件的对中性，具体通过如下步骤实现：

步骤一、试件的制备

根据ASTM D7136-05标准，选取尺寸为长150mm×宽100mm的复合材料层合板试件，试件的厚度根据实际情况确定即可，通过低速冲击试验机对试件预制初始冲击损伤，将试件取下低速冲击试验机。

步骤二、组装本发明提供的试验装置

组装本发明中的各个部件，

（1）本发明提供的试验装置共需要两个导向单元1，每个导向单元需要连接四个滑轨单元5，通过螺栓连接单元7连接导向单元1与滑轨单元5；

（2）本发明提供的试验装置共需要两个加载单元2，将两个加载单元2放置于第一步组装好的导向单元1中，每个加载单元2都开了一个T形的孔槽14，在孔槽14的一侧均含有四个螺栓孔13，两个加载单元2的T形孔槽14需要朝内侧并相互对应，且两个加载单元2中的螺栓孔13需要朝向同一侧；

（3）将传递单元3和固定单元4放置于加载单元的T形孔槽14中，

（4）组装好以上部件后，用四个螺杆连接单元8将两个导向单元1固定，并通过螺母拧紧，使得两个加载单元2只能沿着导向单元1移动。

步骤三、固定试件

将制备好的试件9插入加载单元2的T形孔槽14中，一侧靠近加载单元2，一侧靠近固定单元4，通过螺栓顶紧单元6使固定单元4与加载单元2将试件9夹紧，

步骤四、压缩疲劳试验

将组装好的装置放置于液压疲劳试验机的下夹头上，调整夹头位置，使上夹头与装置以较小的力接触，通过设定疲劳试验参数，即可进行疲劳试验。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置，其特征在于：包括两个导向单元（1）、两个加载单元（2）、两个传递单元（3），两个固定单元（4）、八个滑轨单元（5）、八个螺栓顶紧单元（6）、十六个螺栓连接单元（7）及四个螺杆连接单元（8）；

每个导向单元（1）的外侧四个角开有四个圆孔（10），用于连接螺杆连接单元（8）；在导向单元（1）的内侧开有八个螺纹孔（11），用于连接滑轨单元（5）；导向单元（1）其中一面开有一个矩形孔（12），用于在试验过程中观察试验；

加载单元（2）具有一个T形的孔槽（14），用于放置传递单元（3）和固定单元（4），在加载单元（2）的一侧含有四个螺栓孔（13），用于放置螺栓顶紧单元（6）；

每个导向单元（1）通过螺栓连接单元（7）共需要连接四个滑轨单元（5），两个导向单元（1）通过四个螺杆连接单元（8）抱紧两个加载单元（2），两个加载单元（2）开T形孔槽的一侧需要朝向内侧并相互对应，并保证两个加载单元（2）带螺栓孔的一侧朝一个方向，每个加载单元（2）中的T形孔槽里需要装配一个传递单元（3）和一个固定单元（4），将试件装入试验装置后，通过八个螺栓顶紧单元（6）将固定单元顶向试件，使固定单元（4）与加载单元（2）将试件夹紧，此时试件（9）在压缩载荷下只能随着加载单元（2）在导向单元（1）内部沿着压缩载荷的方向移动。

2.根据权利要求1的低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验装置，其特征在于：所述传递单元（3）为一个长方体，固定单元（4）为一个长方体，滑轨单元（5）为一个含有两个螺纹孔的长方体；螺栓顶紧单元（6）为一个螺栓，螺栓连接单元（7）为一个螺栓，螺杆连接单元为一根螺杆。

3.低速冲击后复合材料层合板的压缩疲劳试验方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

步骤一、试件的制备

根据ASTM D7136-05标准，选取尺寸为长150mm×宽100mm的复合材料层合板试件，试件的厚度根据实际情况确定即可，通过低速冲击试验机对试件预制初始冲击损伤，将试件取下低速冲击试验机；

步骤二、按照权利要求1的结构组装试验装置

步骤三、固定试件

将制备好的试件插入加载单元的T形孔槽中，一侧靠近加载单元，一侧靠近固定单元，通过螺栓顶紧单元，使固定单元与加载单元将试件夹紧；

步骤四、压缩疲劳试验

将组装好的试验装置放置于液压疲劳试验机的下夹头上，调整夹头位置，使上夹头与装置以较小的力接触，通过设定疲劳试验参数，即可进行疲劳试验。

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