CN104458446A - 一种非金属材料剪切特性的测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非金属材料剪切特性的测试装置及方法，包括非金属测试试件，应变花，由夹持角板、粘接板、垫板、立板、横板、支撑连杆、连接螺栓和加载螺栓组成的上、下加载部件。测试试件的上下表面分别开有对称的V形切口，切口中心的连接面为测试截面。上、下加载部件分别夹持在试件左右两侧，并对试件施加剪切力。具体为：用夹持角板(或粘接板)固定住试件，再与垫板、立板之间用螺栓连接；立板与横板之间用螺栓连接，并用支撑连杆加固；加载螺栓安装在横板上，且上下两个加载螺栓位于同一垂直线上，使上下作用力的方向均通过测试截面。本发明提供的装置及方法所适用的试件范围广，装置的部件可拆卸和更换，操作简单,测试结果可靠，重复性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种剪切特性测试装置，尤其是一种非金属材料剪切特性的测试装置及方法。
背景技术
非金属材料如纤维增强复合材料(FRP)、泡沫材料、树脂材料、木材等的剪切性能是描述其材料力学特性的重要参数之一。目前测试非金属材料剪切性能的方法主要有短梁垂直剪切测试方法、短梁对角线剪切测试方法、V型槽梁法等，但上述方法均各有利弊。如短梁剪切侧边受力测试方法虽简单，但夹持边角上应力集中明显，局部过早破坏，并且两侧边双向受力易出现剪切和拉压混合破坏模式，测试结果不准确；短梁对角线受力剪切测试时，夹持边角上的应力集中仍旧会导致局部过早破坏，使剪切特性测试结果不准确；而现有的V型槽梁剪切测试方法，虽测试结果较准确，但夹具复杂成本高，适用试件单一。
因此，如何有更好的装置和方法来测试非金属材料的剪切性能，亟待解决。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种非金属材料剪切特性的测试装置及方法，测试截面剪应力分布均匀，应力集中影响小，试验数据准确，夹持和加载部件可拆卸组装，整体结构简单、制造成本低。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种非金属材料剪切特性的测试装置，包括非金属测试试件、应变花、上加载部件和下加载部件，其特征在于，上、下加载部件分别夹持在试件左右两侧，并对试件施加拉力或压力,使试件形成剪切受力状态。其中：
所述非金属测试试件的上、下表面中部分别开有对称的V形切口，切口处有倒角，切口中心的垂直连接面即为测试截面。测试截面面积小于夹持截面面积，使测试截面的剪切应力先达到极限剪切强度而破坏；可有效减小夹持面应力集中对测试截面剪切应力测量结果的影响。V型切口及其倒角可以最大限度的减小应力集中，使试件测试截面的剪应力分布均匀，避免试件局部过早破坏，使测试结果更加准确。
所述上、下加载部件均包括夹持角板、粘接板、垫板、立板、横板、支撑连杆、连接螺栓和加载螺栓，具体为：用夹持角板(或粘接板)固定住试件，再与垫板、立板之间用螺栓连接，根据试件宽度适当增减垫板；立板与横板之间用螺栓连接，并用支撑连杆加固；加载螺栓安装在横板上，且上下两个加载螺栓位于同一垂直线上，使上、下作用力的方向均通过测试截面。
优选地，所述非金属测试试件的材料种类包括纤维增强复合材料(FRR)、泡沫材料、树脂材料、木材等。
优选地，至少一个所述支撑连杆设置在横板与立板之间，两端用螺栓连接，以利用支撑连杆强化固定防止横板变形，保持剪切作用力垂直对中。支撑连杆的中部镂空，使紧固前螺栓能够在镂空槽中移动，可调节所需支撑连杆的长度。
优选地，所述应变花布置在测试截面处，由三个应变片组成，分别为0°、45°和90°，由公式γ＝ε0°+ε90°-2ε45°得到剪应变。
上、下加载部件对所述试件的夹持方式包括两种：对于薄板试件，试件两端与夹持角板用螺栓连接，夹持角板再与垫板和立板用螺栓连接；对于厚板试件，试件两端与粘接板用粘合剂粘连，粘接板再与垫板和立板用螺栓连接。
优选地，试件的沿宽度两端各有一对夹持角板，成对的夹持角板分别位于试件沿厚度两侧。所述夹持角板的两边夹角为90°，a边上开通孔，用于夹持和连接试件；b边上开槽孔，用于连接垫板和立板，并可以调节成对夹持角板间的距离，适应不同厚度的试件。
优选地，所述粘接板的粘接表面加工成网格状，便于试件的安装定位，且粘接更牢固。
本发明的非金属材料特性测试装置，试验时，在上、下两个加载螺栓上分别施加大小相同、方向相反的作用力，逐步增大作用力直到测试截面破坏，由最大作用力和截面面积，可测得试件的剪切强度；通过应变花测得剪应变，得到剪应力-剪应变关系。。
根据本发明的另一方面，还提供了一种利用本发明的非金属材料剪切特性测试装置进行测试的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
SS1.对于薄板试件，将试件两端与夹持角板用螺栓连接；对于厚板试件，将试件两端与粘接板用粘合剂粘连；在试件测试截面处布置应变花。
SS2.将立板一端与横板一端用螺栓连接，两者成直角，选择合适长度的支撑连杆，将支撑连杆两端分别与横板和立板用螺栓连接；在两个横板上选择对应螺栓孔，设置加载螺栓。
SS3.将夹持角板(或粘接板)与垫板、立板用螺栓连接，调整垫板厚度，使测试截面、上下加载螺栓三者在同一条垂直线上。
SS4.在两个加载螺栓上分别施加大小相同、方向相反的作用力，逐步增大作用力直到测试截面破坏；通过最大作用力和测试截面面积，得到非金属测试试件的剪切强度；通过应变花测得剪应变，得到剪应力-剪应变关系。。
相对于现有技术，本发明的优点在于，V形切口试样的测试截面剪应力分布均匀，无局部过早破坏，可有效减小夹持面应力集中对测试截面剪应力测量结果的影响，试验数据准确。装置的夹持和加载部件可拆卸组装，整体结构简单，适用范围广，制造成本低。
附图说明
图1为本发明的非金属材料剪切特性测试装置(薄板试件螺栓夹持方式)示意图，其中，(A)为装置整体图，(B)为螺栓夹持方式示意图，(C)为夹持角板示意图，(D)为应变花布置示意图；
图2为本发明的非金属材料剪切特性测试装置(厚板试件粘接夹持方式)示意图，其中，(A)为装置整体图，(B)为粘接板示意图，其中(B-1)(B-2)(B-3)分别为左视图，正视图和右视图；
图3为非金属材料测试试样示意图，其中，(A)为薄板试件，(B)为厚板试件；
图4为支撑连杆示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1～2所示，本发明的非金属材料剪切特性测试装置，包括非金属测试试件1、应变花10、上加载部件和下加载部件三部分。其中上、下加载部件均包括夹持角板2、粘接板3、垫板4、立板5、加载螺栓6、横板7和支撑连杆8、加载螺栓9。
如图3所示，非金属测试试件1的上、下表面中部分别开有对称的V形切口，切口处有倒角，切口中心的垂直连接面即为测试截面。
参考图1和图2，在使用本发明的非金属材料剪切特性测试装置时，上、下加载部件分别夹持在试件1左右两侧，并对试件施加拉力或压力,使试件1形成剪切受力状态。参考图1(B)，对于薄板试件，将试件1两端与夹持角板2用螺栓6连接；参考图1(C)，夹持角板2的两边夹角为90°，a边上开通孔，用于夹持和连接试件1，b边上开槽孔，用于连接垫板4和立板5，并可以调节成对夹持角板间的距离，适应不同厚度的试件。参考图2(A)，对于厚板试件，将试件1两端与粘接板3用粘合剂粘连；参考图2(B)，粘接板3的粘接表面加工成网格状，便于试件的安装定位，且粘接更牢固。参考图1(D)，在试件1测试截面处布置应变花10，三个应变片角度分别为0°、45°、90°。
将立板5一端与横板7一端用螺栓6连接，两者成直角；至少一个支撑连杆8设置在横板5与立板7之间，将支撑连杆8两端分别与横板5和立板7用螺栓6连接，以利用支撑连杆8强化固定防止横板5变形，保持施加作用力垂直对中。参考图4，支撑连杆8的中部镂空，使紧固前螺栓6能够在镂空槽中移动，可调节所需支撑连杆8的长度。在两个横板7上选择对应螺栓孔，设置加载螺栓9，且上下两个加载螺栓9位于同一垂直线上，使上、下作用力的方向均通过测试截面。
将夹持角板2(或粘接板3)与垫板4、立板5之间用螺栓6连接，根据试件宽度适当增减垫板4。
在两个加载螺栓9上分别施加大小相同、方向相反的作用力，逐步增大作用力直到测试截面破坏；通过最大作用力和测试截面面积，得到非金属测试试件的剪切强度；通过应变花10测得三个正应变，由公式γ＝ε0°+ε90°-2ε45°得到剪应变，从而获得剪应力-剪应变关系。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种非金属材料剪切特性的测试装置，包括非金属测试试件、应变花、上加载部件和下加载部件，其特征在于，所述上、下加载部件分别夹持在所述非金属测试试件左右两端，用以对所述非金属测试试件施加垂直方向的作用力，使所述非金属测试试件形成剪切受力状态；根据施加在所述非金属测试试件垂直方向的最大作用力和试件测试截面面积，获得试件的剪切强度；所述应变花布置在试件测试截面处，测得剪应变，得到剪应力-剪应变关系；其中：
所述非金属测试试件的上、下表面中部分别开有对称的V形切口，所述V形切口底面设有倒角，所述V形切口中心的连接面为试件测试截面；
所述上、下加载部件均包括垫板、立板、支撑连杆、横板、连接螺栓和加载螺栓，还包括夹持角板或粘接板，其中，所述夹持角板或粘接板固定住所述非金属测试试件的端部，所述夹持角板或粘接板用螺栓依次与垫板、立板连接，根据所述非金属测试试件宽度适当增减垫板；所述立板与横板之间用螺栓连接，并用支撑连杆加固，所述支撑连杆一端与立板、另一端与横板连接；所述加载螺栓安装在横板上；所述上、下加载部件的加载螺栓位于同一垂直线上，使上、下作用力的方向均通过测试截面。
2.根据权利要求1所述的非金属材料剪切特性的测试装置，其特征在于，所述非金属测试试件的材料种类包括纤维增强复合材料(FRR)、泡沫材料、树脂材料、木材等。
3.根据权利要求1所述的非金属材料剪切特性的测试装置，其特征在于，对所述非金属测试试件的夹持方式包括两种：对于薄板试件，试件两端与夹持角板用螺栓连接，夹持角板再与垫板和立板用螺栓连接；对于厚板试件，试件两端与粘接板用粘合剂粘连，粘接板再与垫板和立板用螺栓连接。
4.根据权利要求1至3所述的非金属材料剪切特性的测试装置，其特征在于，对于薄板试件，试件的沿宽度两端各有一对夹持角板，成对的夹持 角板分别位于试件沿厚度两侧，各所述夹持角板包括夹角为90°的两a边和b边，a边上开通孔，用于夹持和连接试件；b边上开槽孔，用于连接垫板和立板，并可以调节成对夹持角板间的距离，适应不同厚度的试件。
5.根据权利要求1至3所述的非金属材料剪切特性的测试装置，其特征在于，所述粘接板的粘接表面加工成网格状，便于厚板试件的安装定位，且粘接更牢固。
6.根据权利要求1所述的非金属材料剪切特性的测试装置，其特征在于，所述横板和立板上设置有多个螺栓孔，至少一个所述支撑连杆设置在横板与立板之间，两端用螺栓连接，以利用支撑连杆强化固定防止横板变形，保持剪切作用力垂直对中。支撑连杆的中部镂空，使紧固前的螺栓能够在镂空槽中移动，可调节所需支撑连杆的长度。
7.根据权利要求1所述的非金属材料剪切特性的测试装置，其特征在于，所述应变花由三个应变片组成，分别为0°、45°和90°，由公式γ＝ε0°+ε90°-2ε45°得到剪应变。
8.一种利用权利要求1至7所述的非金属材料剪切特性的测试装置进行测试的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
SS1.对于薄板试件，将试件两端与夹持角板用螺栓连接；对于厚板试件，将试件两端与粘接板用粘合剂粘连；在试件测试截面处布置应变花。
SS2.将立板一端与横板一端用螺栓连接，两者成直角，选择合适长度的支撑连杆，将支撑连杆两端分别与横板和立板用螺栓连接；在两个横板上选择对应螺栓孔，设置加载螺栓。
SS3.将夹持角板(或粘接板)与垫板、立板用螺栓连接，调整垫板厚度，使测试截面、上下加载螺栓三者在同一条垂直线上。
SS4.在两个加载螺栓上分别施加大小相同、方向相反的作用力，逐步增大作用力直到测试截面破坏；通过最大作用力和测试截面面积，得到非金属测试试件的剪切强度；通过应变花测得剪应变，得到剪应力-剪应变关系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |