CN105258994A - 纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置及其制备方法，属于复合材料制造领域。该设备主要包括柔性硅胶板、移动夹具、紧定螺钉、夹具运动控制机构。工作时，单向预浸料沿导轨方向铺置于上下两层柔性硅胶板之间，两硅胶板置于左右两套可移动夹具之间。旋紧夹紧螺钉，使移动夹具、硅胶板和预浸丝束在夹紧螺钉附近紧密接触。改变调节螺钉的旋出量，使移动夹具带动硅胶板发生预期的弹性拉伸变形，旋出调节螺钉，柔性硅胶板发生回缩，预浸丝束发生轴向压缩变形，从而发生面内屈曲。通过本发明能够实现变形量可控的纤维面内屈曲就位强度测试样品的制备，克服了现有测试标准下，无法对非测地线铺放下纤维屈曲测试样品难以获得的困难。

Description

纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料自动铺放成形技术领域，尤其涉及可控变形的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置及其制备方法。

背景技术

自动铺丝成形工艺由于其高质量、高效率和适应性强的特点，已经广泛的应用于航空航天等领域的复合材料构件的自动化成形过程中。

自动铺放过程中，为充分利用纤维纵向强度，提高结构效益，实际铺放并不是沿铺放曲面的测地线进行的。但非测地线铺放将使预浸丝发生弯曲变形导致预浸料内应力分布为一侧受拉，一侧受压，因纤维沿纵向的拉伸模量非常大，因此认为受拉侧不发生变形，而受压侧会通过纤维的面内屈曲释放压应力；压缩变形越大，压应力也就越大，纤维面内屈曲越严重。当纤维发生屈曲后，纤维偏离轴向，产生偏轴分布，使得纤维就位强度下降，从而导致材料性能的损失。因此，研究纤维屈曲变形对纤维就位强度的影响，衡量非测地线轨迹下结构效益的提高程度和材料性能的损失大小，对铺放结构件性能的优化具有重要的理论意义和工程价值。

但是按照现有实验标准要求无法对非测地线轨迹(弯曲状)铺放下含有纤维屈曲的预浸料进行取样，基于现有试验标准和现有纤维面内屈曲的形成方法，无法对纤维屈曲的就位强度进行测试，进而无法评价纤维屈曲对制件性能的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的上述缺陷，提供一种可控变形的纤维面内屈曲就位强度测试试样的装置及制备方法。本发明可利用现有复合材料基本力学性能测试标准对纤维屈曲后纤维就位强度进行测量，评估纤维屈曲对制件性能的影响情况。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其中：包括由内至外设置的柔性硅胶板夹层、移动夹具层以及导向盖板结构，柔性硅胶板夹层包括上柔性硅胶板和下柔性硅胶板，单向预浸丝束能被夹持固定在上柔性硅胶板和下柔性硅胶板之间，移动夹具层包括左移动夹具以及右移动夹具，左移动夹具包括左上移动夹板和左下移动夹板，右移动夹具包括右上移动夹板和右下移动夹板，左上移动夹板和左下移动夹板能配合夹紧柔性硅胶板夹层的左部，右上移动夹板和右下移动夹板能配合夹紧柔性硅胶板夹层的右部，左移动夹具以及右移动夹具上均设置有能设置移动夹具夹持松紧度的紧定螺钉，试样制备装置还设置有移动夹具运动控制机构，移动夹具运动控制机构能推动左移动夹具以及右移动夹具轴向横移。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的移动夹具运动控制机构包括固定在一侧移动夹具上的固定顶块、安装于另一侧移动夹具上的可移动顶块和安装在可移动顶块上的调节螺钉组成，可移动顶块上设置有与夹具侧边平行的挡边，使可移动顶块只能轴向横移。

上述的左移动夹具以及右移动夹具上均设置有移动夹具定位销，该移动夹具定位销固定上下移动夹板，使得上下移动夹板移动时位移同步。

上述的左移动夹具以及右移动夹具的轴向长度均为柔性硅胶板夹层的轴向长度的二分之一，左移动夹具和右移动夹具对称地设置在柔性硅胶板夹层左右。

上述的导向盖板结构包括上盖板和下盖板，上盖板和下盖板通过导向盖板定位销固定在一起。

上述的导向盖板结构中部开有观察窗，观察窗能同时观察到左移动夹具右侧以及右移动夹具左侧。

上述的移动夹具定位销位于左移动夹具以及右移动夹具的内端，紧定螺钉位于左移动夹具以及右移动夹具的外端。

纤维面内屈曲就位强度测试试样制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将多根或单根单向预浸丝束，以一定间距沿柔性硅胶板夹层的长度方向贴敷于上柔性硅胶板和下柔性硅胶板中间；

步骤二、调整调节螺钉的旋出量，使左移动夹具以及右移动夹具对接，即左移动夹具以及右移动夹具间距为0，记录左移动夹具和右移动夹具上的夹紧螺钉之间的间距为l；

步骤三、对柔性硅胶板夹层进行预热，排除柔性硅胶板夹层受热膨胀对结果的影响；

步骤四、预热结束后，调节螺钉旋出量增加，使左移动夹具和右移动夹具间距增加至，则两侧夹紧螺钉间距增至，上柔性硅胶板和下柔性硅胶板在移动夹具的带动下发生轴向的弹性变形，维持该弹性变形并保温，同时确保单向预浸丝束被紧密压在上柔性硅胶板和下柔性硅胶板之间；

步骤五、保温结束后，调节螺钉旋出量减小，上柔性硅胶板和下柔性硅胶板回缩完成后测量左移动夹具和右移动夹具的间距，单向预浸丝束中的纤维随柔性硅胶板的回缩发生面内轴向压缩变形，产生面内屈曲；

步骤六、对单向预浸丝束保温固化，便可得到含有压缩应变为的纤维面内屈曲就位强度测试试样。

上述的通过调节、的大小，即能得到压缩应变可控的纤维面内屈曲就位强度测试试样。

本发明的可空变形的纤维面内屈曲就位强度测试试样的制备方法其基本原理为利用模具的回缩，从而使预浸丝束的纤维受轴向压缩而产生面内屈曲，因此本发明中的成形模具采用弹性变形能力良好的柔性硅胶板代替，工作时单向预浸丝束沿柔性硅胶板长度方向，夹贴在上下片柔性硅胶板中间，当柔性硅胶板发生弹性拉伸变形时，预浸丝束不发生变形，而当柔性硅胶板中的弹性拉伸变形消失而恢复原始长度时，预浸丝束将在轴向方向上受压缩作用，而产生面内屈曲。

为使柔性硅胶板发生均匀的弹性拉伸变形，在柔性硅胶板的外表面安装有左右两套可移动夹具，可移动夹具由上下两块夹板组成，夹板长度为柔性硅胶板长度的1/2，在上下夹板的一端开有与紧定螺钉配合的螺纹孔和通孔，紧定螺钉将柔性硅胶板和上下夹板联接为一体，此时使左右移动夹具向相反方向运动，便会带动柔性硅胶板发生均匀的拉伸变形。

为确保柔性硅胶板发生可控变形，本发明设计有移动夹具运动控制结构，具体包括安装于左移动夹具定位销上的固定顶块、安装与右移动夹具定位销上的可移动顶块以及安装于可移动顶块上的调节螺钉。通过调整调节螺钉的旋出长度使柔性硅胶板获得长度方向不同的弹性拉伸变形，进而获得可控的纤维轴向压缩应变。特别的，顶块上有与移动夹具边缘平行的挡边，避免顶块绕定位销旋转，且夹具左右各有两套运动控制结构，避免在调节时出现移动夹具运动不平行，造成不均匀变形。

为确保所有变形均沿预浸丝的轴向进行，保证柔性硅胶板拉伸与回弹、可移动夹具的移动，均沿长度方向进行，本发明在可移动夹具两侧设置有导向盖板以实现可移动夹具移动方向的定位，上下移动盖板利用定位销进行定位；导向盖板同时可对对柔性硅胶板施压，以保证预浸丝束变形全部为面内变形。另外在导向盖板中间开有观察窗，以方便对移动夹具的移动距离进行测量。

附图说明

图1为本发明实施例中可控变形的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置的等轴视图；

图2为本发明实施例中可控变形的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置的侧视图；

图3为本发明实施例中移动夹具与移动夹具运动控制机构安装细节图。

图中标号名称：单向预浸丝束1、柔性硅胶板夹层2、上柔性硅胶板2-1、下柔性硅胶板2-2、移动夹具层3、左移动夹具3-1、左上移动夹板3-1-1、左下移动夹板3-1-2、右移动夹具3-2、右上移动夹板3-2-1、右下移动夹板3-2-2、导向盖板结构4、移动夹具运动控制机构5、固定顶块5-1、可移动顶块5-2、调节螺钉5-3、紧定螺钉6、导向盖板定位销7、移动夹具定位销8、观察窗9。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1-3所示，本发明的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其中：包括由内至外设置的柔性硅胶板夹层2、移动夹具层3以及导向盖板结构4，柔性硅胶板夹层2包括上柔性硅胶板2-1和下柔性硅胶板2-2，单向预浸丝束1能被夹持固定在上柔性硅胶板2-1和下柔性硅胶板2-2之间，移动夹具层3包括左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2，左移动夹具3-1包括左上移动夹板3-1-1和左下移动夹板3-1-2，右移动夹具3-2包括右上移动夹板3-2-1和右下移动夹板3-2-2，左上移动夹板3-1-1和左下移动夹板3-1-2能配合夹紧柔性硅胶板夹层2的左部，右上移动夹板3-2-1和右下移动夹板3-2-2能配合夹紧柔性硅胶板夹层2的右部，左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2上均设置有能设置移动夹具夹持松紧度的紧定螺钉6，试样制备装置还设置有移动夹具运动控制机构5，移动夹具运动控制机构5能推动左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2轴向横移。

实施例中，移动夹具运动控制机构5包括固定在一侧移动夹具上的固定顶块5-1、安装于另一侧移动夹具上的可移动顶块5-2和安装在可移动顶块5-2上的调节螺钉5-3组成，可移动顶块5-2上设置有与夹具侧边平行的挡边，使可移动顶块5-2只能轴向横移。

实施例中，左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2上均设置有移动夹具定位销8，该移动夹具定位销8固定上下移动夹板，使得上下移动夹板移动时位移同步。

实施例中，左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2的轴向长度均为柔性硅胶板夹层2的轴向长度的二分之一，左移动夹具3-1和右移动夹具3-2对称地设置在柔性硅胶板夹层2左右。

实施例中，导向盖板结构4包括上盖板4-2和下盖板4-1，上盖板4-2和下盖板4-1通过导向盖板定位销7固定在一起。

实施例中，导向盖板结构4中部开有观察窗9，观察窗9能同时观察到左移动夹具3-1右侧以及右移动夹具3-2左侧。

实施例中，移动夹具定位销8位于左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2的内端，紧定螺钉6位于左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2的外端。

纤维面内屈曲就位强度测试试样制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将多根或单根单向预浸丝束1，以一定间距沿柔性硅胶板夹层2的长度方向贴敷于上柔性硅胶板2-1和下柔性硅胶板2-2中间；

步骤二、调整调节螺钉5-3的旋出量，使左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2对接，即左移动夹具3-1以及右移动夹具3-2间距为0，记录左移动夹具3-1和右移动夹具3-2上的夹紧螺钉之间的间距为l；

步骤三、对柔性硅胶板夹层2进行预热，排除柔性硅胶板夹层2受热膨胀对结果的影响；

步骤四、预热结束后，调节螺钉5-3旋出量增加，使左移动夹具3-1和右移动夹具3-2间距增加至，则两侧夹紧螺钉6间距增至，上柔性硅胶板2-1和下柔性硅胶板2-2在移动夹具的带动下发生轴向的弹性变形，维持该弹性变形并保温，同时确保单向预浸丝束1被紧密压在上柔性硅胶板2-1和下柔性硅胶板2-2之间；

步骤五、保温结束后，调节螺钉5-3旋出量减小，上柔性硅胶板2-1和下柔性硅胶板2-2回缩完成后测量左移动夹具3-1和右移动夹具3-2的间距，单向预浸丝束1中的纤维随柔性硅胶板的回缩发生面内轴向压缩变形，产生面内屈曲；

步骤六、对单向预浸丝束1保温固化，便可得到含有压缩应变为的纤维面内屈曲就位强度测试试样。

实施例中，通过调节、的大小，即能得到压缩应变可控的纤维面内屈曲就位强度测试试样。

经过上述操作，并保温固化，便可得到含有压缩应变为的预浸丝束，且利用现有标准对其性能进行测试以评价纤维面内屈曲对其就位强度的测试试样。同时，通过调整调节螺钉的旋出长度，改变硅橡胶发生弹性变形量的大小，便可获得不同的轴向压缩应变，克服了现有测试标准下，无法对非测地线铺放下纤维屈曲测试样品难以获得的困难。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其特征是：包括由内至外设置的柔性硅胶板夹层(2)、移动夹具层(3)以及导向盖板结构(4)，所述的柔性硅胶板夹层(2)包括上柔性硅胶板(2-1)和下柔性硅胶板(2-2)，单向预浸丝束(1)能被夹持固定在所述的上柔性硅胶板(2-1)和下柔性硅胶板(2-2)之间，所述的移动夹具层(3)包括左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)，所述的左移动夹具(3-1)包括左上移动夹板(3-1-1)和左下移动夹板(3-1-2)，所述的右移动夹具(3-2)包括右上移动夹板(3-2-1)和右下移动夹板(3-2-2)，所述的左上移动夹板(3-1-1)和左下移动夹板(3-1-2)能配合夹紧柔性硅胶板夹层(2)的左部，所述的右上移动夹板(3-2-1)和右下移动夹板(3-2-2)能配合夹紧柔性硅胶板夹层(2)的右部，所述的左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)上均设置有能设置移动夹具夹持松紧度的紧定螺钉(6)，试样制备装置还设置有移动夹具运动控制机构(5)，所述的移动夹具运动控制机构(5)能推动左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)轴向横移。

2.根据权利要求1所述的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其特征是：所述的移动夹具运动控制机构(5)包括固定在一侧移动夹具上的固定顶块(5-1)、安装于另一侧移动夹具上的可移动顶块(5-2)和安装在可移动顶块(5-2)上的调节螺钉(5-3)组成，所述的可移动顶块(5-2)上设置有与夹具侧边平行的挡边，使可移动顶块(5-2)只能轴向横移。

3.根据权利要求2所述的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其特征是：所述的左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)上均设置有移动夹具定位销(8)，该移动夹具定位销(8)固定上下移动夹板，使得上下移动夹板移动时位移同步。

4.根据权利要求3所述的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其特征是：所述的左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)的轴向长度均为柔性硅胶板夹层(2)的轴向长度的二分之一，左移动夹具(3-1)和右移动夹具(3-2)对称地设置在柔性硅胶板夹层(2)左右。

5.根据权利要求4所述的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其特征是：所述的导向盖板结构(4)包括上盖板(4-2)和下盖板(4-1)，所述的上盖板(4-2)和下盖板(4-1)通过导向盖板定位销(7)固定在一起。

6.根据权利要求5所述的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其特征是：所述的导向盖板结构(4)中部开有观察窗(9)，所述的观察窗(9)能同时观察到左移动夹具(3-1)右侧以及右移动夹具(3-2)左侧。

7.根据权利要求6所述的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备装置，其特征是：所述的移动夹具定位销(8)位于左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)的内端，所述的紧定螺钉(6)位于左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)的外端。

8.纤维面内屈曲就位强度测试试样制备方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、将多根或单根单向预浸丝束(1)，以一定间距沿柔性硅胶板夹层(2)的长度方向贴敷于上柔性硅胶板(2-1)和下柔性硅胶板(2-2)中间；

步骤二、调整调节螺钉(5-3)的旋出量，使左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)对接，即左移动夹具(3-1)以及右移动夹具(3-2)间距为0，记录左移动夹具(3-1)和右移动夹具(3-2)上的夹紧螺钉之间的间距为l；

步骤三、对柔性硅胶板夹层(2)进行预热，排除柔性硅胶板夹层(2)受热膨胀对结果的影响；

步骤四、预热结束后，调节螺钉(5-3)旋出量增加，使左移动夹具(3-1)和右移动夹具(3-2)间距增加至，则两侧夹紧螺钉(6)间距增至，上柔性硅胶板(2-1)和下柔性硅胶板(2-2)在移动夹具的带动下发生轴向的弹性变形，维持该弹性变形并保温，同时确保单向预浸丝束(1)被紧密压在上柔性硅胶板(2-1)和下柔性硅胶板(2-2)之间；

步骤五、保温结束后，调节螺钉(5-3)旋出量减小，上柔性硅胶板(2-1)和下柔性硅胶板(2-2)回缩完成后测量左移动夹具(3-1)和右移动夹具(3-2)的间距，单向预浸丝束(1)中的纤维随柔性硅胶板的回缩发生面内轴向压缩变形，产生面内屈曲；

步骤六、对单向预浸丝束(1)保温固化，便可得到含有压缩应变为的纤维面内屈曲就位强度测试试样。

9.根据权利要求8所述的纤维面内屈曲就位强度测试试样制备方法，其特征是：通过调节、的大小，即能得到压缩应变可控的纤维面内屈曲就位强度测试试样。