CN103969118B - 一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具，包括试验加载模块，试验夹持模块以及应变测量模块；试验加载模块包括基座，端部压板，夹块盖板，导向轴以及行程控制键；试验夹持模块包括压片，夹块和夹块导向柱；应变测量模块包括引伸计夹片和引伸计支柱；本发明基座上下运动带动夹块的打开与夹紧，夹块夹紧的过程中，试验件能自动对中；通过引入引伸计以及调整应变测量模块中各螺纹螺距能够调整的对齐精度，采集一系列精度不同的应变测量数据，构成满足不同精度要求的应变测量部件，夹块盖板通过螺栓与基座装配，使试验夹具的装夹空间形成一个半开放式的结构，方便试验件的装夹，提高了试验的整体效率。

Description

一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具

技术领域

本发明属于纤维增强复合材料试验技术领域，具体来说是一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具。

背景技术

纤维增强复合材料在现代航空航天结构中被广泛应用，并且有很大一部分结构件要在较高温度的情况下承受压缩载荷，因此在复合材料被投入使用前要做很大一部分的无缺口压缩试验。

现有无缺口压缩试验夹具为美国材料与试验协会(ASTM)提出的标准无缺口压缩试验夹具和单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法(GBT3856-2005)提出的国标试验夹具，此外现今普适的应变数据测量及采集方法为贴应变片法或者引伸计法。

但是现有技术中的试验夹具存在如下缺点：(1)高温情况下试验夹具温度较高，普通夹具装夹较为繁琐，使得装夹试验件的效率很低；(2)在较高温度情况下测量应变时，会出现应变片损坏、胶水失效等一系列问题使得应变数据难以采集，同时对于其他无缺口压缩试验夹具来讲，在试验件被装夹完成后已无空间装加引伸计；(3)压缩试验中，试验件的对中性以及试验夹具中各个螺栓的拧紧力会影响到试验的结果；以上缺点致使无缺口压缩试验在实际操作过程中难以顺利进行并影响到了数据采集及其准确性：

本试验夹具主要针对以上几个问题进行创新设计，解决以上问题的同时能保证高效、高标准的完成试验。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的无缺口压缩试验效率较低、应变采集困难等问题，提出一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具。

本发明一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具，由试验加载模块，试验夹持模块以及应变测量模块组成。

试验加载模块包括基座，端部压板，夹块盖板，导向轴以及行程控制键。

基座为“凹型”结构，底部固连端部压板；顶部加工有通孔连接导向轴；导向轴两端开有键槽安装行程控制键；基座两侧面开有凹槽，用来限定和引导行程控制键的运动；将2个基座与2个端部压板上下放置，凹槽相对；通过螺栓固连，将2个导向轴分别插入基座的通孔中，导向轴互相平行；4个行程控制键穿过基座的凹槽插入导向轴，行程控制键限制基座的相对极限位置，避免用力移动使导向轴滑出而弯曲；基座的凹槽内侧面螺纹连接夹块盖板，夹块盖板位于基座反面，构成半开放式。

试验夹持模块包括压片，夹块和夹块导向柱。

夹块为“直角梯形”结构，夹块上开有与夹块斜面平行的导向槽，4块夹块两两一组，分别左右对称放置在2个基座的凹槽中，夹块的斜面平行基座凹槽内侧面，且通过面-面接触装配；具体方式为：通过夹块导向柱穿过导向槽与夹块盖板螺纹连接；夹块导向柱另一端上安装有限位块压在夹块表面，上述两组夹块中两夹块之间的空间用来放置试验件，且每组夹块相对侧面上对称位置开有凹槽用来安装压片；通过压片实现试验过程中对试验件端部加载的作用。由此，基座上下滑动带动夹块导向柱上下运动，进而调节压片间距，实现对不同尺寸试件的夹持。

在装夹过程中，基座上下运动带动夹块对中运动，压片压在试验件顶部后，夹块固定不动，基座继续运动，试验件在试验过程中受压缩载荷，同时载荷越大，带动夹块越能夹紧试验件；基座与夹块相对滑动；调整2个基座的相对位置使其远离，则夹块中部空间变大，将试验件侧放在中间；相对移近2个基座，夹块会沿着与基座配合的斜面移动，自动夹紧试验件，从而实现夹块的打开与夹紧。

应变测量模块包括引伸计夹片和引伸计支柱；

引伸计支柱一端用螺母锁紧在基座上，另一端螺母装配固定引伸计夹片；2个基座上分别对称安装4个应变测量模块，基座上下运动，带动夹块压缩试验件，产生形变，传递给引伸计，引伸计采集到形变量数据。

一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具的使用方法如下：

(1)将试验夹具平放，使基座相对远离，将试验件侧放在中间；

(2)相对移近基座，夹块自动夹紧试验件，同时压片压在试验件顶部；

(3)装夹后将试验夹具放在试验机上，通过端部压板侧面的对称轴线对中放置；

(4)将引伸计夹持在引伸计夹片上，读取引伸计读数，可辅助判断放置是否对中；

(5)通过基座的上下运动，压缩试验件，产生形变，引伸计采集到形变量数据；

(6)试验结束后，取下试验夹具，移动基座，取下并更换试验件；

本发明的优点在于：

(1)半开放式的试验夹具设计能够方便装夹替换试验件，大幅提高试验效率；

(2)试验件装夹后不需拧紧螺栓以固定试验件，不需控制各个螺栓的拧紧力相同，操作简单，便捷；

(3)试验件放在装夹位置后，通过试验加载能够自动对中，代替了试验员进行对中调整的操作，提高了效率和准确性；

(4)普通压缩试验夹具不具备加装引伸计的位置，本发明能够对称使用两个引伸计，测量出应变的同时辅助检测对中性；

(5)固定装加引伸计夹片的螺杆能够被一系列螺距不同的螺杆替换，以满足不同试验精度的要求。

附图说明

图1是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的正面等轴测爆炸图；

图2是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的正面等轴测示意图；

图3是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的试验加载模块的正面示意图；

图4是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的试验加载模块的反面示意图；

图5是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的试验夹持模块的正面示意图；

图6是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的试验夹持模块的反面示意图；

图7是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的应变测量模块的示意图；

图8是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的基座的局部放大图；

图9是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的夹块的局部放大图；

图10是本发明新型复合材料无缺口压缩试验夹具的导向轴的局部放大图；

101-基座；102-端部压板；103-夹块盖板；104-行程控制键；105-导向轴；201-压片；202-夹块；203-夹块导向柱；301-引伸计夹片；302-引伸计支柱；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

应用于纤维增强复合材料压缩试验，能够解决在高温环境下的应变测量等相关试验问题，同时半开放式的设计使得试验件装夹更加高效、准确。

本发明是一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具，如图1和图2所示，由试验加载模块，试验夹持模块以及应变测量模块组成。

所述的试验加载模块，如3和图4所示：包括2套相同的基座101，端部压板102，夹块盖板103，导向轴105以及4个行程控制键104。

如图8所示，基座101为“凹型”结构，基座101的底部加工有2个螺钉孔，用螺栓固连端部压板102；端部压板102为“正方型”结构，在端部压板102的4个侧面的中心位置处均刻有对称轴线，用于校准试验夹具的整体对中性。

基座101的顶部两端加工有2个通孔用来连接导向轴105；如图10所示，导向轴105为长圆柱结构，两端开有键槽，用来安装行程控制键104，基座101的两侧面均有长方形的凹槽，用来限定和引导行程控制键104的上下运动。

将2个端部压板102与2个基座101通过底部的螺钉孔对齐螺栓固连后，2个基座上下放置，凹槽相对；将2个导向轴105分别插入基座101顶部两端的2个通孔中；2个导向轴105互相平行；将行程控制键104穿过基座101两侧面的长方形凹槽插入导向轴105的键槽中，当基座101沿导向轴105上下运动时，行程控制键104限定了基座101的上下运动。

基座101的凹槽内侧面上加工有7个螺钉孔，用于螺纹连接夹块盖板103，夹块盖板103位于基座101反面，构成半开放式，能够方便装夹和替换试验件。

所述的试验夹持模块，如图5和图6所示：包括2片压片201，4块夹块202和4个夹块导向柱203；

如图9所示，夹块202整体为“直角梯形”结构，夹块202上开有与夹块202斜面平行的导向槽。4块夹块202两两为一组，分别左右对称放置在2个基座101的凹槽中，使夹块202的斜面平行于基座101凹槽内侧面，基座101凹槽内侧面作为接触面，夹块202斜面作为目标面，通过面-面接触装配，具体方式为：通过夹块导向柱203一端穿过导向槽，与夹块盖板103螺纹连接；另一端上安装限位块，使限位块压在夹块202表面，保证夹块202在运动过程中不会偏离基座101；上述两组夹块202中的两夹块之间用来内设置试验件，且每组夹块相对侧面上对称位置开有凹槽用来安装压片201；通过两组夹块上安装的压片201，实现试验过程中对试验件端部加载的作用。由此，基座101上下滑动带动夹块导向柱203上下运动，进而调节两组夹块上的压片201间距，实现对不同尺寸试件的加持。

在夹具装夹过程中，将试验件放入两组夹块202后，基座101上下运动，带动夹块202对中运动，压片201压在试验件顶部后，夹块202固定不动，基座101继续运动，试验件在试验过程中受压缩载荷，同时载荷越大，带动夹块202越能夹紧试验件；以便能更准确的应用应变测量模块进行数据采集。基座101与夹块202相对滑动；调整2个基座101的相对位置使其远离，则夹块202中部空间变大，将试验件侧放在中间；相对移近2个基座101，夹块202会沿着与基座101配合的斜面移动，自动夹紧试验件，从而实现夹块202的打开与夹紧。

所述的应变测量模块如图7所示：包括引伸计夹片301和引伸计支柱302；

引伸计支柱302两端均有外螺纹，一端用螺母锁紧在基座101上，另一端用两颗螺母装配固定引伸计夹片301；拧紧螺母后，引伸计支柱302与基座101的螺纹之间会形成预紧力，使引伸计支柱302保持固定状态，实现引伸计支柱302的定位和锁紧；

2个基座101上分别安装有4个应变测量模块，通过调整各螺母的位置，实现左右2个引伸计夹片301的对称安装以及上下2个引伸计夹片301的对齐安装，4个应变测量模块用来采集试验件的形变量数据。当基座101上下运动，带动两组夹块202压缩试验件，产生形变，引伸计的传感器随着变形，并转换为机械、光、电、声等信息，引伸计的放大器将传感器输出的微小信号放大。记录器将放大后的信号直接显示或自动记录下来。

一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具的使用方法如下：

(1)将装配好的试验夹具平放在平整处，调整两个基座101的相对位置使其远离，则夹块202中部空间变大，将试验件侧放在中间；

(2)相对移近2个基座101，夹块202会沿着与基座101配合的斜面移动，自动夹紧试验件，当夹块202运动到一定位置时，压片201压在试验件顶部，夹块202不动，基座101继续运动，直至将试验件夹紧；

(3)装夹后将试验夹具放在试验机上，通过端部压板102侧面的对称轴线对中放置；

(4)将引伸计夹持在对称的引伸计夹片302上，在一定的预载荷下读取引伸计读数，可辅助判断放置是否对中；

(5)通过基座101的上下运动，压缩试验件，产生形变，引伸计采集到形变量数据；

以标距为50mm的引伸计来测量应变，其形变量数据需要进行换算：

${\mathrm{\ϵ}}_0\·\frac{50}{L}$

其中ε₀为引伸计示数，ε为实际应变，L为试验件长度

$K=\frac{50}{L}$

K为修正系数

则：

ε＝Kε₀

(6)试验结束后，将试验夹具取下平放在平整处，移动基座101的相对位置，打开夹块202后，将试验件取下并进行更换。

行程控制键104限制基座101的相对极限位置，避免用力移动使导向轴105滑出而弯曲；避免基座101与导向轴105多次滑脱后影响配合精度、效率及夹具的使用寿命；

导向轴105保证基座101的运动在装夹和加载过程中保持对称和竖直；

一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具的夹块盖板103通过螺栓与基座101装配，使试验夹具的装夹空间形成一个半开放式的结构，方便试验件的装夹，提高了试验的整体效率；4块夹块202关于整个新型复合材料无缺口压缩试验夹具的中心轴线对称安装，用来装夹试验件；基座101上下运动带动夹块202的打开与夹紧，夹块202夹紧的过程中，试验件能自动对中；通过引入引伸计以及调整应变测量模块中各螺纹螺距能够调整引伸计夹片的对齐精度，采集一系列精度不同的应变测量数据，满足不同精度要求的应变测量部件。

Claims (4)

1.一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具，其特征在于：由试验加载模块，试验夹持模块以及应变测量模块组成；

试验加载模块包括基座，端部压板，夹块盖板，导向轴；

基座顶部开有凹槽和2个通孔，底部固连端部压板；2个基座上下放置，凹槽相对，将2个导向轴分别插入基座的通孔中，相互平行，基座的凹槽内侧面螺纹连接夹块盖板，使夹块盖板位于基座一侧，构成半开放式基座；

所述的端部压板的4个侧面的中心位置处均刻有对称轴线，用于校准试验夹具的整体对中性；

所述的导向轴为长圆柱结构，两端开有键槽，用来安装行程控制键，基座的两侧面均有长方形的凹槽，用来限定和引导行程控制键的上下运动；

试验夹持模块包括压片，夹块和夹块导向柱；

4块夹块两两一组，对称放置在2个基座的凹槽中，夹块与基座通过面-面接触装配；夹块上开有导向槽，通过夹块导向柱穿过导向槽与夹块盖板连接；夹块导向柱另一端上安装限位块压在夹块表面，上述两组夹块中的两夹块之间用来内设置试验件，且每组夹块相对侧面上对称位置开有凹槽用来安装压片；基座上下滑动带动夹块导向柱上下运动，进而调节压片间距，实现对不同尺寸试件的加持；

应变测量模块包括引伸计夹片和引伸计支柱；

引伸计支柱两端通过螺母分别固定基座和引伸计夹片；基座运动，夹紧试验件压缩产生形变，引伸计采集形变量数据。

2.如权利要求1所述的一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具，其特征在于：所述的夹块为“直角梯形”结构，夹块斜面平行基座凹槽内侧面；导向槽与夹块斜面平行。

3.如权利要求1所述的一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具，其特征在于：在装夹过程中，基座上下运动带动夹块对中运动，压片压在试验件顶部后，夹块固定不动，基座继续运动，试验件在试验过程中受压缩载荷，同时载荷越大，带动夹块越能夹紧试验件；基座与夹块相对滑动；调整2个基座的相对位置使其远离，则夹块中部空间变大，将试验件侧放在中间；相对移近2个基座，夹块会沿着与基座配合的斜面移动，自动夹紧试验件，从而实现夹块的打开与夹紧。

4.应用如权利要求1所述的一种新型复合材料无缺口压缩试验夹具的试验夹具的使用方法，其特征在于：

(1)将试验夹具平放，使基座相对远离，将试验件侧放在中间；

(2)相对移近基座，夹块自动夹紧试验件，同时压片压在试验件顶部；

(3)装夹后将试验夹具放在试验机上，通过端部压板侧面的对称轴线对中放置；

(4)将引伸计夹持在引伸计夹片上，读取引伸计读数，可辅助判断放置是否对中；

(5)通过基座的上下运动，压缩试验件，产生形变，引伸计采集到形变量数据；引伸计采用的标距为50mm，用如下公式进行计算：

$\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0\·\frac{50}{L}$

其中ε₀为引伸计示数，ε为实际应变，L为试验件长度

$K=\frac{50}{L}$

则：

ε＝Kε₀

K为修正系数；(6)试验结束后，取下试验夹具，移动基座，取下并更换试验件。