CN103884590A - 复合材料试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合材料试验装置，包括底座(7)；第一支撑机构，其可移动地安装在底座(7)上；第二支撑机构，其固定安装在底座(7)的一端；以及加载机构，其位于第一支撑机构和第二支撑机构的上方并可移动地安装在支撑梁(12)上，用以对被支撑在第一支撑机构和第二支撑机构上的试验件(19)施加载荷(P)。通过本发明的复合材料试验装置可了解材料的张开型(I型)、剪切型(II型)和I/II混合型(撕裂型)分层行为，从而评价复合材料抵抗分层的能力；在实际实验过程中通过调整试验装置上的部件的组合就能进行三种分层模式下的断裂性能试验，节省了试验成本，省去换装置时间从而节省了试验时间。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料试验技术领域，尤其涉及复合材料断裂性能及分层行为的试验装置。
背景技术
目前被广泛用于飞机主承力构件的树脂基复合材料主要是层压板与层压结构，它们是由多层预浸带铺迭后热压而成的层压制件。在制造过程中由于预浸带的污染，或是热压过程中的挥发性物质未被排除等多种原因，很容易使层压板局部层和层脱粘，造成分层缺陷；此外，树脂强度远低于纤维，同时界面强度相对较低，使层间强度成为层压板的薄弱环节，并且层压板自由边、孔边等几何不连续处会引起高的层间应力。低层间强度和高层间应力也会导致层与层之间的分离，所以分层是层压板最主要的问题。
层压板的分层大致有I型(张开型)、II型(剪切型)和III型(撕裂型)以及它们的组合，其中，I型分层是拉伸受载，分层面与载荷方向垂直；II型分层是剪切受载，分层面与载荷方向平行；III型分层是拉伸和剪切同时受载。一般情况下，含混合应力的结构发生分层时，三种分层模式共存，其中I型和II型分层是主要模式，III型所占比重相对较小，可以忽略，因此I型和II型分层以及I型和II型的混合型分层是研究的重点。纯I型断裂性能的测量是通过悬臂梁(DCB)试验完成，试验时直接在试验件端部施加张开载荷；而纯II型是通过三点弯曲试验即端部缺陷弯曲(ENF)试验完成，试验时在试验件中间施加弯曲载荷进行传统的三点弯曲试验，此种试验方式无法灵活改变加载点位置；I型和II型的混合型断裂性能的测量只能通过混合模式弯曲(MMB)分层试验完成，但由于没有合适的试验装置所以试验难以实现。
虽然复合材料分层原理都被熟知并且也针对I型分层、II型分层断裂韧度做了大量试验，但是，由于没有合适的混合型分层试验装置，I型和II型的混合层间断裂韧度的试验很少，并且在实际实验研究中没有I型分层断裂韧度、II型分层断裂韧度、以及I、II混合层间断裂韧度测量的统一试验装置，更没有一种能够分别做I型分层、II型分层、以及I、II混合型分层试验的集成试验装置。
发明内容
本发明的目的在于设计一种用于复合材料的集成试验装置，利用该装置能够根据需要测量I型分层断裂韧度、II型分层断裂韧度、或者I、II混合层间断裂韧度。
为此，根据本发明，提供一种复合材料试验装置，所述复合材料试验装置包括：底座；第一支撑机构，其可移动地安装在所述底座上；第二支撑机构，其固定安装在所述底座的一端；加载机构，其位于所述第一支撑机构和所述第二支撑机构的上方，用以对被支撑在所述第一支撑机构和所述第二支撑机构上的试验件施加载荷；以及支撑梁，其与所述加载机构可移动地连接。
根据优选实施方式，所述复合材料试验装置还包括次级加载机构，其可移动地安装于所述支撑梁上并与所述加载机构间隔开。
具体地，所述第一支撑机构包括第一支撑架和安装在所述第一支撑架上的第一支撑轴，所述第一支撑架包括可移动的支座，其能够沿设置在所述底座上的导槽移动。
根据一种实施方式，所述第二支撑机构包括第二支撑架和安装在其上的下夹头，在所述下夹头上方相对设置有安装在所述支撑梁上的上夹头，在进行张开试验时，所述上夹头和所述下夹头与试验件铰链连接。
根据另一种实施方式，所述第二支撑机构包括第二支撑架和安装在其上的第二支撑轴，在进行剪切试验时，所述第二支撑轴与所述第一支撑轴共同支撑试验件。
进一步地，所述加载机构包括通过支撑座与所述支撑梁可移动安装的加载梁，以及依次与所述支撑座连接的滚动轴承和第一加载轴，加载夹持端将载荷施加于所述加载梁，所述加载梁与所述滚动轴承接触。
进一步地，所述次级加载机构包括安装在所述支撑梁上的第三支撑架和安装在所述第三支撑架上的第二加载轴。
根据一种实施方式，所述支撑梁为工字梁，其上设有多个安装孔以调节安装于其上的各部件的位置。
根据一种实施方式，所述第一支撑架的可移动的支座通过地脚螺栓连接到所述底座上的导槽中。
通过采用本发明的复合材料试验装置，在进行I型分层断裂韧度试验时，可通过调节第一加载轴与第一支撑轴之间的距离得到张开型载荷，使得试验件张开，得到层压板I型分层断裂韧度；在进行II型分层断裂韧度试验时，可通过调节第一加载轴在第一支撑轴和第二支撑轴之间的位置，利用三点弯曲对试验件施加剪切载荷，并可改变第一加载轴的位置来改变剪切载荷的大小，得到层压板II型分层断裂韧度；在进行混合型弯曲试验时，通过增加第二加载轴，可以在施加剪切载荷的基础上额外施加一个张开型载荷使得试验件张开，所施加的两个力的相对大小决定了I、II型的比例，即改变加载轴的位置来改变I、II型的混合率，从而可以实现只施加一个载荷来同时产生两个力，得到I、II型载荷，进而试验得到层压板I、II型混合层间断裂韧度。
通过本发明的复合材料试验装置可了解材料的张开型(I型)、剪切型(II型)和I/II混合型(撕裂型)分层行为，从而评价复合材料抵抗分层的能力；在实际实验过程中通过调整试验装置上的部件的组合就能进行三种分层模式下的断裂性能试验，节省了试验成本，省去换装置时间从而节省了试验时间。
附图说明
本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的具体实施方式更好地理解，附图中，相同的附图标记标识相同或相似的部件，其中：
图1为根据本发明的复合材料试验装置用于张开型试验时的结构示意图；
图2为与图1类似的示意图，从另一角度示出了根据本发明的复合材料试验装置；
图3为采用图1中结构进行张开型试验时对试验件施加载荷的示意图；
图4为根据本发明的复合材料试验装置用于剪切型试验时的结构示意图；
图5为采用图4中结构进行剪切型试验时对试验件施加载荷的示意图；
图6为根据本发明的复合材料试验装置用于混合型试验时的结构示意图；
图7为采用图6中结构进行混合型试验时对试验件施加载荷的示意图。
附图标记说明
1 加载梁 2 滚动轴承
3 第一加载轴 4 支撑座
5 第一支撑架 501 支座
6 导槽 7 底座
8 第一支撑轴 9 下夹头
901下夹头底座安装孔 902 下夹头装夹孔
10 上夹头 101 上夹头装夹孔
11 第二支撑轴 12 支撑梁
13 加载夹持端 14 第二支撑架
15、16 铰链 17 第三支撑架
18 第二加载轴 19 试验件
A 分层 P 载荷
具体实施方式
下面详细描述本发明的具体实施例的实施和使用。然而，应当理解，所描述的具体实施例仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，而非限制本发明的范围。
图1和2示出了根据本发明的复合材料试验装置用于张开型试验时的结构示意图。所述复合材料试验装置包括底座7、第一支撑机构、第二支撑机构、加载机构以及与所述加载机构可移动连接的支撑梁12。其中，所述第一支撑机构可移动地安装在底座7上，包括第一支撑架5和安装在第一支撑架5上的第一支撑轴8，所述第一支撑架5还包括可移动的支座501，其能够沿设置在底座7上的导槽6移动，例如，支座50 1可通过插入导槽6中的地脚螺栓连接于底座7上，从而可以无级移动来调节第一支撑轴8作为支点的位置；所述第二支撑机构固定安装在底座7的一端，且在该实施方式中包括第二支撑架1 4和安装在其上的下夹头9，在所述下夹头9上方相对设置有安装在支撑梁12上的上夹头10，在进行张开试验时，所述上夹头10和所述下夹头9与试验件19(图3)铰链连接；所述加载机构位于所述第一支撑机构和所述第二支撑机构的上方，用以对被支撑在所述第一支撑机构和所述第二支撑机构上的试验件19施加载荷P，根据本发明，所述加载机构可具体包括通过支撑座4与支撑梁12可移动安装的加载梁1，以及依次与所述支撑座4连接的滚动轴承2和第一加载轴3，加载夹持端13将载荷施加于所述加载梁1，所述加载梁1与所述滚动轴承2接触。这里可以理解的是，采用滚动轴承可避免外载的方向变化，消除了由载荷方向变化引起的非线性误差。
根据本发明，所述支撑梁12可为工字梁，其上设有多个安装孔以调节安装于其上的各部件的位置，在这种情况下，各部件例如可用螺栓连接在支撑梁上。然而本领域技术人员可以理解的是，各部件还可以其他合适的方式可移除地连接于支撑梁上，或者可在支撑梁上设置滑槽供各部件滑动。
此外，根据本发明的复合材料试验装置还包括次级加载机构，其可移动地安装于所述支撑梁12上并与所述加载机构间隔开，用以实现对复合材料进行混合层间断裂韧度的试验，这将在下文中更详细地描述。
结合图1至3，在进行张开型试验时，调节并固定第一支撑机构在底座7上的位置和加载机构在支撑梁12上的位置，使得加载机构对试验件19的一端施加载荷。下夹头9通过其上设置的下夹头底座安装孔901用螺栓固定于第一支撑架14上，上夹头10同样可通过其上设置的上夹头底座安装孔(图中未标识)用螺栓固定连接于支撑梁12上并位于下夹头9的上方。将试验件19支撑于第一支撑轴8上并通过铰链15、16连接于上夹头10上设置的上夹头装夹孔101和下夹头9上设置的下夹头装夹孔902。加载夹持端13施加的载荷P通过加载梁1与滚动轴承2的接触传递到支撑座4上，再通过与试验件19接触的第一加载轴3传递给试验件19。图3示出的试验件19在A处已有初始加工的分层，当受到第一加载轴3施加的张开力时，在分层处会承受沿箭头方向的拉伸力。在这种实施方式中，加载点在第一加载轴3处，支点在第一支撑轴8处。通过加载点与支点之间的距离可得到张开型载荷以使得试验件19张开，并可以通过改变加载点的位置来改变张开载荷的大小，得到层压板I型分层断裂韧度。
对于剪切型试验，如图4和5所示，在这一实施方式中，所述第二支撑机构可包括第二支撑架14和安装在其上的第二支撑轴11，由所述第二支撑轴11与所述第一支撑轴8共同支撑试验件19。这种变化可简单地通过将第二支撑轴11安装于第二支撑架14上来获得，并且为了操作便利，上夹头10可以移除。进行剪切型试验时，调节加载机构和第一支撑机构的位置使得加载机构位于第一支撑机构和第二支撑机构之间。加载夹持端13施加的载荷P通过加载梁1与滚动轴承2的接触传递到支撑座4上，再通过与试验件19接触的第一加载轴3传递给试验件19，由此通过三点弯曲对试验件施加剪切载荷。如图5所示，加载点在第一加载轴3处，支点在第一支撑轴8和第二支撑轴11处，在有初始加工的分层A处承受沿箭头方向的剪切力，通过改变加载点的位置可改变剪切载荷的大小，得到层压板II型分层断裂韧度。
对于混合型试验，如图6和7所示，根据本发明的试验装置通过设置次级加载机构来实现只施加一个载荷同时得到I、II型载荷。参见图6所示的实施方式，所述次级加载机构可包括例如通过螺栓安装在支撑梁12上的第三支撑架17和安装在第三支撑架17上的第二加载轴18。进行混合型试验时，与张开型试验类似，将试验件19支撑于第一支撑轴8上并通过铰链15、16连接于上夹头10上设置的上夹头装夹孔101和下夹头9上设置的下夹头装夹孔902；调节加载机构的位置使其位于试验件19的一端，调节次级加载机构的位置使其位于第一支撑机构和第二支撑机构之间。加载夹持端13施加的载荷P通过加载梁1与滚动轴承2的接触传递到支撑座4上，支撑座4将载荷传递到支撑梁12，再通过与支撑梁12连接的第三支撑架17传递到第二加载轴18，进而传递到试验件19上。如图7所示，加载点在第二加载轴18处，支点在第一支撑轴8处。试验件19在有初始加工的分层A处分别承受箭头示出的拉伸力和剪切力，也就是说，在对试验件加载时，加载力可以转化成张开型(I型)的张开力和剪切型(II型)的剪切力，从而得到I/II混合型(撕裂型)分层，通过调节加载点的位置可实现I型、II型应变能释放率比值R的调节。
以上已通过具体实施例揭示本发明的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的各种特征和未在此明确示出的特征的组合作各种变化和改进，这些变化和改进都属于本发明的保护范围。例如，在所示出的各种实施方式中，第一支撑架5、第二支撑架14、第三支撑架17以及加载梁1、支撑座4均被设计为U型结构，支撑轴8、11分别安装在第一和第二U型支撑架5、14的支脚上设置的孔中，加载轴3、18分别安装在U型支撑座4和第三U型支撑架17的支脚上设置的孔中；此外，支撑梁12示出为工字梁，但很显然这些结构均可按照实际需要加以更改。因此，上述实施例的描述是示例性的而不是限制性的。
Claims (9)
1.一种复合材料试验装置，包括：
底座(7)；
第一支撑机构，其可移动地安装在所述底座(7)上；
第二支撑机构，其固定安装在所述底座(7)的一端；
加载机构，其位于所述第一支撑机构和所述第二支撑机构的上方，用以对被支撑在所述第一支撑机构和所述第二支撑机构上的试验件(19)施加载荷(P)；以及
支撑梁(12)，其与所述加载机构可移动地连接。
2.根据权利要求1所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述复合材料试验装置还包括次级加载机构，其可移动地安装于所述支撑梁(12)上并与所述加载机构间隔开。
3.根据权利要求2所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述第一支撑机构包括第一支撑架(5)和安装在所述第一支撑架(5)上的第一支撑轴(8)，所述第一支撑架(5)包括可移动的支座(501)，其能够沿设置在所述底座(7)上的导槽(6)移动。
4.根据权利要求3所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述第二支撑机构包括第二支撑架(14)和安装在其上的下夹头(9)，在所述下夹头(9)上方相对设置有安装在所述支撑梁(12)上的上夹头(10)，在进行张开试验时，所述上夹头(10)和所述下夹头(9)与试验件(19)铰链连接。
5.根据权利要求3所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述第二支撑机构包括第二支撑架(14)和安装在其上的第二支撑轴(11)，在进行剪切试验时，所述第二支撑轴(11)与所述第一支撑轴(8)共同支撑试验件(19)。
6.根据权利要求4或5所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述加载机构包括通过支撑座(4)与所述支撑梁(12)可移动安装的加载梁(1)，以及依次与所述支撑座(4)连接的滚动轴承(2)和第一加载轴(3)，加载夹持端(13)将载荷施加于所述加载梁(1)，所述加载梁(1)与所述滚动轴承(2)接触。
7.根据权利要求6所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述次级加载机构包括安装在所述支撑梁(12)上的第三支撑架(17)和安装在所述第三支撑架(17)上的第二加载轴(18)。
8.根据权利要求7所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述支撑梁(12)为工字梁，其上设有多个安装孔以调节安装于其上的各部件的位置。
9.根据权利要求8所述的复合材料试验装置，其特征在于，所述第一支撑架(5)的可移动的支座(501)通过地脚螺栓连接到所述底座(7)上的导槽(6)中。
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