CN105334110A - 单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置及其测试方法，加载装置包括上夹持杆、加载框、传力片、螺纹连接杆、间隙消除螺母以及下夹持杆；传力片分为上传力片和下传力片，上传力片粘贴于单向纤维增强复合材料试件的上端，下传力片粘贴于单向纤维增强复合材料试件的下端，单向纤维增强复合材料试件中的纤维垂直于拉伸测试方向，加载框包括上加载框和下加载框，上传力片固定安装在上加载框中，下传力片固定安装在下加载框中，上夹持杆与上加载框固定连接，下夹持杆通过螺纹连接杆与间隙消除螺母与下加载框固定配合。本发明具有能避免试验机夹持力对试样造成损伤、消除夹具部件之间的连接间隙，提高测试精度、试件能精确对中的优点。

Description

单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及复合材料力学测试领域，具体涉及单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置及其测试方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、化学稳定性好等优点，在能源、军事以及交通运输领域应用广泛。随着纤维增强复合材料的大量应用，其力学性能测试方法也受到了广泛关注。通过纤维增强复合材料的拉伸测试可以获得材料的拉伸强度、弹性模量以及泊松比等力学性能参数，对安全可靠的应用复合材料具有重要指导意义。

现有技术中纤维增强复合材料拉伸测试方法大多依据GB/T1040.4-2006、GB/T1040.5-2008、ASTMC1359以及ASTMD3039等标准进行。现有技术中大多采用楔形夹具、销钉形夹具或者燕尾形夹具对纤维增强复合材料拉伸试样进行加载，这些方法可以较好的实现单向纤维增强复合材料沿纤维方向的拉伸测试以及编织结构复合材料的拉伸测试。但单向纤维增强复合材料的力学性能具有显著的方向性，即沿着纤维方向具有较高的拉伸强度，而垂直于纤维方向的拉伸强度较低并且纤维束间的结合力很弱。利用现有技术对单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向进行拉伸测试时失效部位容易出现在拉伸试样的夹持段，导致测试数据无效。其中楔形夹具通过夹具的楔形块沿试样厚度方向进行夹紧，夹持段与试验段之间区域的应力梯度较大，夹持段在楔形块夹紧力的作用下会产生较大的损伤，当夹持力较大时会直接将试样的夹持段压扁，造成试样在夹持段的边界出现纤维束间开裂从而导致拉伸试样在测试过程中出现端部失效。销钉形夹具测试方法需要在试样的夹持段开孔，对于横向强度较低的单向纤维增强复合材料来说，极易在圆孔应力集中处发生过早失效，造成试验失败。燕尾形加载方式通过夹具的斜面对试样传递拉伸载荷，对于横向强度较低的单向纤维增强复合材料来说在接触面发生失效的概率较大。

中国专利CN103018101A《一种用于陶瓷基复合材料高温拉伸测试的夹具》中公开的拉伸夹具能用于大部分结构的复合材料，但用于单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试时试样会在夹具接触面处发生失效。中国专利CN104634656A《复合材料单轴拉伸试验夹具》中公开了一种非夹紧式复合材料拉伸夹具。这种夹具与燕尾形夹具类似，容易在接触面处发生失效。该夹具设计有与试验件相配合的圆弧面，但加工误差会使两者之间产生配合间隙导致试样受力不均，影响试验精度。对于圆弧尺寸不同的试验件该夹具不能通用，需按照试样圆弧尺寸重新加工夹具，增加了试验成本。中国专利CN203941063U《超薄金属板带高温拉伸试验夹具》中公开了一种用于板状试样的拉伸夹具。该夹具采用螺栓连接夹紧试样，因此夹持段受力不均匀容易发生打滑。此外，现有技术公开的技术方案中均未涉及组合夹具零部件间配合间隙消除问题的解决办法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能避免试验机夹持力对试样造成损伤，确保单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸试验可以顺利开展、消除夹具部件之间的连接间隙，提高测试精度、试件能精确对中的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置及其测试方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其中：包括上夹持杆、加载框、传力片以及下夹持杆；传力片分为上传力片和下传力片，上传力片粘贴于单向纤维增强复合材料试件的上端，下传力片粘贴于单向纤维增强复合材料试件的下端，单向纤维增强复合材料试件中的纤维垂直于拉伸测试方向，加载框包括上加载框和下加载框，上传力片固定安装在上加载框中，下传力片固定安装在下加载框中，上夹持杆与上加载框固定连接，下夹持杆与下加载框固定连接。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的上加载框和下加载框均为带开口的框架结构，上加载框和下加载框的内框开口面上均设有定位长槽，传力片上与定位长槽位置对应处设有定位凸起，定位凸起能卡入定位长槽中使传力片与对应的加载框固定配合。

上述的上加载框的上端面以及下加载框的下端面的中心处均开有螺纹孔，上夹持杆和下夹持杆均一端设有螺纹，另一端为光杆，上夹持杆的螺纹端旋入上加载框的螺纹孔；拉伸测试加载装置还包括螺纹连接杆、间隙消除螺母，螺纹连接杆的一端旋入下加载框的螺纹孔，另一端旋入间隙消除螺母的一侧，下夹持杆的螺纹端旋入间隙消除螺母的另一侧；间隙消除螺母两侧的螺纹旋向相反，当旋转间隙消除螺母时，能使螺纹连接杆和下夹持杆相互靠近或远离。

上述的上传力片为两片，一正一反地粘贴于单向纤维增强复合材料试件的上端，下传力片为两片，一正一反地粘贴于单向纤维增强复合材料试件的下端；每片传力片中部均设置有凹槽，凹槽的深度为单向纤维增强复合材料试件厚度的二分之一，凹槽的形状与单向纤维增强复合材料试件端部形状相匹配，单向纤维增强复合材料试件端部伸入凹槽中与传力片粘合。

上述的凹槽为外侧宽、内侧窄的槽体结构。

上述的定位长槽为V形槽，相应地，定位凸起为V形凸起。

上述的间隙消除螺母一端倒有圆角用于标记方位，间隙消除螺母倒圆角的一端与螺纹连接杆相连，间隙消除螺母未倒圆角的一端与下夹持杆相连，间隙消除螺母具有便于扳手旋转操作的扳手位。

上述的传力片与单向纤维增强复合材料试件粘贴时使用的胶水为环氧树脂胶水或丙烯酸酯胶水，胶水均匀的涂抹在凹槽内。

单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试方法，包括以下步骤：

步骤一、取两对传力片并在传力片上均匀涂抹胶水，然后将传力片粘贴到单向纤维增强复合材料试件两端的夹持段；

步骤二、启动拉伸试验机并松开试验机的上夹头钳口与下夹头钳口；

步骤三、将上夹持杆与上加载框相连，然后将上夹持杆的光杆部分放入试验机上夹头钳口中，操作试验机夹紧上夹头钳口；

步骤四、将单向纤维增强复合材料试件上端的上传力片装入上加载框中，使上传力片与上加载框相固定；

步骤五、设置拉伸试验机载荷传感器，将载荷传感器的示数置零；

步骤六、将下加载框与螺纹连接杆连接，将螺纹连接杆与间隙消除螺母连接，将下夹持杆旋入间隙消除螺母；

步骤七、将单向纤维增强复合材料试件下端的下传力片装入下加载框中，使下传力片与下加载框相固定；

步骤八、设置拉伸试验机为位移控制模式，通过位移控制器调整试验机横梁的位置使下夹持杆的光杆部分深入到下夹头的钳口中，然后夹紧下夹头钳口；

步骤九、将试验机位移传感器示数归零；

步骤十、旋转间隙消除螺母，消除试样加载组件之间的连接间隙；

步骤十一、设置拉伸试验机为力控制模式，对单向纤维增强复合材料试件开始拉伸测试直至试样发生断裂；

步骤十二、读取拉伸试验机力传感器数据与位移传感器数据，得到试样的拉伸载荷-位移曲线以及最大拉伸载荷。

步骤十一中拉伸测试的加载速度为0.02kN/s。

本发明的具有以下积极效果：

（1）本发明的加载框将试验机的拉伸载荷传递到传力片上，传力片通过粘接试样与传力片的胶水将载荷传递到试样表面对试样进行载荷施加，从而使得加载时试样在厚度方向没有压紧力的作用，避免了直接加载时试验机夹持力对试样造成的损伤，确保了单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸试验可以顺利的开展。

（2）本发明传力片与加载框中分别设置了V形定位凸起与V形定位长槽，通过两者的配合便可以保证试样的精确对中，确保了试验结果的准确性。

（3）本发明只需通过调整传力片的槽深与槽宽便可以应用于不同厚度不同宽度的试样，试验装置的适用范围广，试验成本低。

（4）本发明设置了间隙消除螺母，该螺母两端设计了旋向相反的螺纹，旋转间隙消除螺母可以使夹具与下连接杆产生相向运动，以此消除夹具部件之间的连接间隙，提高了测试精度。

附图说明

图1本发明上夹持杆示意图；

图2本发明加载框示意图；

图3本发明传力片示意图；

图4单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样示意图；

图5本发明螺纹连接杆示意图；

图6本发明间隙消除螺母示意图；

图7本发明下夹持杆示意图；

图8本发明传力片与单向纤维增强碳/碳复合材料长条拉伸试样配合关系示意图；

图9本发明加载夹持装置与拉伸试样装配示意图；

图10单向纤维增强树脂基复合材料狗骨形拉伸试样示意图；

图11本发明传力片与单向纤维增强树脂基复合材料狗骨拉伸试样配合关系示意图；

图12单向纤维增强陶瓷基复合材料燕尾形拉伸试样示意图；

图13本发明燕尾槽传力片示意图；

图14本发明燕尾槽传力片与单向纤维增强陶瓷基复合材料燕尾形拉伸试样配合关系示意图。

图中单向纤维增强复合材料试件4上的横条代表纤维。

其中的附图标记为：上夹持杆1、加载框2、上加载框21、下加载框22、定位长槽23、传力片3、凹槽3a、上传力片31、下传力片32、定位凸起33、单向纤维增强复合材料试件4、螺纹连接杆5、间隙消除螺母6、下夹持杆7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。

第一实施例：

单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，包括上夹持杆1、加载框2、传力片3、螺纹连接杆5、间隙消除螺母6以及下夹持杆7；上夹持杆1一端设有右旋螺纹，另一端为光杆；下夹持杆7一端设有左旋螺纹，另一端为光杆；加载框2为完全相同的两个上加载框21、下加载框22，其中上加载框21与上夹持杆1相连，下加载框22与螺纹连接杆5相连；加载框2为带开口的长方体框架结构，其上端面的中心处开有右旋螺纹孔，内框开口面上对称设有与加载框2厚度相同的V形定位长槽；所述传力片3设有完全相同的四片，分别粘贴于单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样的两端；传力片3为带有凹槽的长方体，凹槽的深度为单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样厚度的1/2,凹槽的横截面尺寸均与单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样夹持段的横截面尺寸相同，传力片3一侧对称设置有V形定位凸起，传力片3通过V形定位凸起与加载框2的V形定位长槽相连，传力片3的厚度是加载框2厚度的1/2；螺纹连接杆5与下加载框22以及间隙消除螺母6相连；螺纹连接杆5为右旋螺纹杆；间隙消除螺母6一端倒有圆角用于标记方位，间隙消除螺母6倒圆角端的端面中心开有右旋螺纹孔可与螺纹连接杆5相连，间隙消除螺母6未倒圆角一端的端面中心开有左旋螺纹孔可下夹持杆7相连，间隙消除螺母6具有扳手位便于旋转操作。

单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试方法，包括以下步骤：

步骤一、取两对传力片3并在传力片3的凹槽内均匀涂抹环氧树脂或丙烯酸酯胶水，然后将传力片3粘贴到单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样两端的夹持段（图8），通过胶水将传力片3凹槽面上的载荷施加到单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样夹持段的上下表面；

步骤二、启动拉伸试验机并松开试验机的上夹头钳口与下夹头钳口；

步骤三、将上夹持杆1与上加载框21相连，然后将上夹持杆1的光杆部分放入试验机上夹头钳口中，操作试验机夹紧上夹头钳口；

步骤四、将单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样上端的上传力片31装入上加载框21中，使上传力片31与上加载框21相固定；安装时应保证加载框2的V形定位长槽与传力片3的V形定位凸起配合，两者完全配合之后便可以保证单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样中心线与试验机夹头中心线的对中。

步骤五、设置拉伸试验机载荷传感器，将载荷传感器的示数置零；

步骤六、将下加载框22与螺纹连接杆5连接，将螺纹连接杆5与间隙消除螺母6连接，将下夹持杆7旋入间隙消除螺母6；装配时应注意，间隙消除螺母6倒圆角那一面的螺纹孔与螺纹连接杆5相连。

步骤七、将单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样下端的下传力片32装入下加载框22中，使下传力片32与下加载框22固定；连接过程时应保证加载框2的V形定位长槽23与传力片3的V形定位凸起33配合。

步骤八、设置拉伸试验机为位移控制模式，通过位移控制器调整试验机横梁的位置使下夹持杆7的光杆部分深入到下夹头的钳口中，然后夹紧下夹头钳口；

步骤九、将试验机位移传感器示数归零；

步骤十、顺时针旋转间隙消除螺母6，由于螺纹连接杆5与下夹持杆7的螺纹旋向相反，因此顺时针旋转间隙消除螺母6时螺纹连接杆5与下夹持杆7将相向移动拉紧各夹具组件，以此消除试样加载组件之间的间隙；

步骤十一、设置拉伸试验机为力控制模式，调整加载速度为0.02kN/s开始拉伸测试直至单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样发生断裂；

步骤十二、读取拉伸试验机力传感器数据与位移传感器数据，得到单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样的拉伸载荷-位移曲线以及最大拉伸载荷。

第二实施例：

将第一实施例中的单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样替换为单向纤维增强树脂基复合材料狗骨形拉伸试样，如图10和图11所示。未述部分同第一实施例。

第三实施例：

将第一实施例中的单向纤维增强碳/碳复合材料长条形拉伸试样替换为单向纤维增强陶瓷基复合材料燕尾形拉伸试样，相应地，凹槽3a为外侧宽、内侧窄的燕尾形槽体，如图12至图14所示。未述部分同第一实施例。

第三实施例对试样的夹持部形状以及传力片3形状作出改进，使试样与传力片3的接触面积更大，同时由于试样的夹持部以及凹槽3a均为外侧宽、内侧窄的形状，试样更不易脱出，连接牢固。

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 (10)

1.单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：包括上夹持杆(1)、加载框(2)、传力片(3)以及下夹持杆(7)；所述的传力片(3)分为上传力片(31)和下传力片(32)，所述的上传力片(31)粘贴于单向纤维增强复合材料试件(4)的上端，所述的下传力片(32)粘贴于单向纤维增强复合材料试件(4)的下端，所述的单向纤维增强复合材料试件(4)中的纤维垂直于拉伸测试方向，所述的加载框(2)包括上加载框(21)和下加载框(22)，所述的上传力片(31)固定安装在上加载框(21)中，所述的下传力片(32)固定安装在下加载框(22)中，所述的上夹持杆(1)与上加载框(21)固定连接，所述的下夹持杆(7)与下加载框(22)固定配合。

2.根据权利要求1所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：所述的上加载框(21)和下加载框(22)均为带开口的框架结构，上加载框(21)和下加载框(22)的内框开口面上均设有定位长槽(23)，所述的传力片(3)上与定位长槽(23)位置对应处设有定位凸起(33)，所述的定位凸起(33)能卡入定位长槽(23)中使传力片(3)与对应的加载框(2)固定配合。

3.根据权利要求2所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：所述的上加载框(21)的上端面以及下加载框(22)的下端面的中心处均开有螺纹孔，所述的上夹持杆(1)和下夹持杆(7)均一端设有螺纹，另一端为光杆，所述的上夹持杆(1)的螺纹端旋入上加载框(21)的螺纹孔；拉伸测试加载装置还包括螺纹连接杆(5)、间隙消除螺母(6)，所述的螺纹连接杆(5)的一端旋入下加载框(22)的螺纹孔，另一端旋入间隙消除螺母(6)的一侧，所述的下夹持杆(7)的螺纹端旋入间隙消除螺母(6)的另一侧；所述的间隙消除螺母(6)两侧的螺纹旋向相反，当旋转间隙消除螺母(6)时，能使螺纹连接杆(5)和下夹持杆(7)相互靠近或远离。

4.根据权利要求3所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：所述的上传力片(31)为两片，一正一反地粘贴于单向纤维增强复合材料试件(4)的上端，所述的下传力片(32)为两片，一正一反地粘贴于单向纤维增强复合材料试件(4)的下端；每片传力片中部均设置有凹槽(3a)，所述的凹槽(3a)的深度为单向纤维增强复合材料试件(4)厚度的二分之一，凹槽(3a)的形状与单向纤维增强复合材料试件(4)端部形状相匹配，所述的单向纤维增强复合材料试件(4)端部伸入凹槽(3a)中与传力片粘合。

5.根据权利要求4所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：所述的凹槽(3a)为外侧宽、内侧窄的槽体结构。

6.根据权利要求2所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：所述的定位长槽(23)为V形槽，相应地，所述的定位凸起(33)为V形凸起。

7.根据权利要求3所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：所述的间隙消除螺母(6)一端倒有圆角用于标记方位，所述的间隙消除螺母(6)倒圆角的一端与所述的螺纹连接杆(5)相连，间隙消除螺母(6)未倒圆角的一端与下夹持杆(7)相连，所述的间隙消除螺母(6)具有便于扳手旋转操作的扳手位。

8.根据权利要求4所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试加载装置，其特征是：所述的传力片(3)与单向纤维增强复合材料试件(4)粘贴时使用的胶水为环氧树脂胶水或丙烯酸酯胶水，胶水均匀的涂抹在凹槽(3a)内。

9.单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、取两对传力片(3)并在传力片(3)上均匀涂抹胶水，然后将传力片(3)粘贴到单向纤维增强复合材料试件(4)两端的夹持段；

步骤二、启动拉伸试验机并松开试验机的上夹头钳口与下夹头钳口；

步骤三、将上夹持杆(1)与上加载框(21)相连，然后将上夹持杆(1)的光杆部分放入试验机上夹头钳口中，操作试验机夹紧上夹头钳口；

步骤四、将单向纤维增强复合材料试件(4)上端的上传力片(31)装入上加载框(21)中，使上传力片(31)与上加载框(21)相固定；

步骤五、设置拉伸试验机载荷传感器，将载荷传感器的示数置零；

步骤六、将下加载框(22)与螺纹连接杆(5)连接，将螺纹连接杆(5)与间隙消除螺母(6)连接，将下夹持杆(7)旋入间隙消除螺母(6)；

步骤七、将单向纤维增强复合材料试件(4)下端的下传力片(32)装入下加载框(22)中，使下传力片(32)与下加载框(22)相固定；

步骤八、设置拉伸试验机为位移控制模式，通过位移控制器调整试验机横梁的位置使下夹持杆(7)的光杆部分深入到下夹头的钳口中，然后夹紧下夹头钳口；

步骤九、将试验机位移传感器示数归零；

步骤十、旋转间隙消除螺母(6)，消除试样加载组件之间的连接间隙；

步骤十一、设置拉伸试验机为力控制模式，对单向纤维增强复合材料试件(4)开始拉伸测试直至试样发生断裂；

步骤十二、读取拉伸试验机力传感器数据与位移传感器数据，得到试样的拉伸载荷-位移曲线以及最大拉伸载荷。

10.根据权利要求9所述的单向纤维增强复合材料垂直于纤维方向的拉伸测试方法，其特征是：步骤十一中拉伸测试的加载速度为0.02kN/s。