CN105352801A - 碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,采用胶接连接技术制备碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件力学压缩试验件,将压缩试验件装卡在力学试验机上,然后对压缩试验件进行加载,最后得到破坏载荷和相应的变形值。本发明解决了现有碳纤维增强树脂基复合材料管材力学性能测试方法不适用于薄壁复合材料管件的问题,通过采用新型压缩试验件制备方法,避免了试验过程中管件自身发生失稳破坏,为碳纤维薄壁复合材料管件提供了一种新的试验方法。使用该方法能够可靠的反映碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件实际的压缩性能。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维增强树脂基复合材料管件压缩性能测试方法,适用于测定壁厚小于1.5mm(公称直径小于50mm)和直径与壁厚之比大于50(公称直径为50mm-100mm)的碳纤维增强复树脂基合材料薄壁管件的机械性能,属于碳纤维增强树脂基复合材料结构性能测试领域。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料杆、管结构是组成复合材料构件的一种典型单元,是航空、航天器结构中常用的结构组件,大型卫星天线支架等大多采用碳纤维增强树脂基复合材料管件。
碳纤维增强树脂基复合材料管件成型一般采用纤维缠绕、预浸料铺层、拉挤成型、热缩成型等工艺,不同的工艺方法和铺层设计在力学性能上具有较大的差别。
在工程实践中,碳纤维增强树脂基复合材料管件力学性能测试结果不但可以对产品设计构型和铺层进行优化,而且可用于对产品成型质量的检测。在测试过程中,碳纤维增强树脂基复合材料管件的壁厚、纤维类型以及试验件的尺寸精度对测试结果均有影响。目前常用的碳纤维增强树脂基复合材料管件的力学压缩性能测试方法为GB/T5350-2005《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》。该方法规定了制备试验件的方式,即将待测管件两端壁厚增加,但对于碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管材,采用该方法制备的试验件进行测试时,由于管壁较薄造成管件结构刚度较差,在加载时容易发生失稳,导致对试样附加弯矩,造成试样发生弯曲破坏,无法真实测量产品的实际压缩性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,保证了测试时试验件自身的稳定性,从而得到测量产品实际的压缩性能。
本发明的技术解决方案是:碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,步骤如下:
(1)利用机械设备从待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件上截取一段作为测试用,截取时将管件内腔使用玻璃钢棒垫实,并对截取后得到的测试用管件两个端面铣加工,保证两个端面平行度0.05mm;
(2)为步骤(1)得到的测试用管件的一端分别加工金属接头,所述金属接头包括内套筒和外套筒,内套筒外径和测试用管件之间、测试用管件和外套筒内径之间的配合间隙为单边0.1~0.2mm;
(3)测量并计算测试用管件内径和外径平均尺寸、实际制备的内套筒外径平均尺寸以及外套筒内径平均尺寸,计算内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间相互配合的间隙值;
(4)根据步骤(3)计算得到的间隙值,选择与待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件相同牌号和规格的碳纤维丝束,使用胶黏剂浸渍碳纤维丝束,然后将浸渍的碳纤维丝束缠绕胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域的外径上,常温固化24小时后使用800目水砂纸对碳纤维丝束进行打磨,保证内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间的配合间隙值为单边0.1mm-0.2mm;
(5)将胶黏剂均匀涂刷在测试用管件、内套筒、外套筒之间的胶接表面,然后将内套筒和外套筒胶接在测试用管件一端,常温固化7天;
(6)重复步骤(2)—(5),为测试用管件的另一端加工并胶接金属接头;
(7)利用数控加工设备在胶接好金属接头的测试用管件两端加工出装卡平面,加工完成后得到压缩试验件;
(8)在压缩试验件中部径向对称各贴一处应变片,然后将压缩试验件装卡在力学试验机上;
(9)运行力学试验机,测定压缩模量时,对压缩试验件进行均匀连续加载,加载速度为1mm/min~2mm/min,记录载荷值及相应的变形值,并根据载荷值及相应的变形值计算待测试管件的压缩模量,其中施加的最大载荷不超过材料的弹性变形范围;
(10)测定压缩强度时,对压缩试验件进行均匀连续加载,加载速度为5mm/min~6mm/min,直至试样破坏,记录破坏载荷和位移,并根据破坏载荷计算压缩强度。
所述步骤(2)中内套筒为空心圆柱体,其一端带有台阶,用于卡在测试用管件的端口处,外套筒包括一体成型的空心圆柱体和空心圆台,且外套筒空心圆柱体的一端与内套筒的台阶相匹配。
外套筒中空心圆台的锥角为30度,且圆台上表面的半径与测试用管件的半径之差在0.5mm-2mm范围内。
所述步骤(4)中将浸渍的碳纤维丝束胶接在内套筒外径和测试用管件外径上的方式为:浸渍的碳纤维丝束沿圆周方向均布,数量为3~8束。
所述步骤(7)中利用数控加工设备在胶接好金属接头的测试用管件两端加工出装卡平面时,要求每端端面平面度为0.02mm,且两端端面的平行度为0.05mm。
所述步骤(8)中将压缩试验件装卡在力学试验机上时,应使压缩试验件轴线与试验机上、下夹头的中心线对准。
所述步骤(9)中对压缩试验件进行加载时,如果有载荷和变形值的自动记录装置则均匀连续加载,如果没有,则应分级加载,加载级数不少于五级,相邻两级之间的载荷增量相同。
本发明相比现有技术具有如下优点:
(1)本发明在待测试管件两端胶接了金属接头,增大了待测试管件整体结构的稳定性,解决了GB/T5350-2005规定的试验件形式在用于薄壁复合材料管件时由于管件结构刚度较差导致加载时试验件容易发生失稳破坏(非单纯压缩破坏)的问题,从而真实反映薄壁管件的压缩性能。
(2)本发明金属内、外套筒设置有限位台阶,可以有效保证内、外套筒与管件试验件的胶接尺寸,从而保证管件试验件有效测试段尺寸30mm,既满足GB/T5350-2005的规定,又有效降低了测试结果的离散度。
(3)本发明外套筒靠近测试用管件中部一端(外套筒中的空心圆台)加工30度锥角,可以有效保证对压缩试验件施加压缩载荷时,载荷沿管件轴线传递,避免引入弯矩等影响测试结果;外套筒30度锥角圆台上表面加工有0.5mm-2mm的平台,可以防止金属接头存在尖角而损伤试验件,造成试验结果不准确。
(4)本发测试用管件两端金属接头自身端面平面度0.02mm,两端端面的平行度0.05mm,有效保证了加载时传力路径沿管件轴线方向,避免了测试过程中对试样附加弯矩的可能。
(5)本发明将碳纤维丝束胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域的外径,大于8束,碳纤维丝束太厚,不利于胶接,小于3束,胶接强度变弱。选择3-8束碳纤维丝束,一方面能够有效保证内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间的配合间隙值为单边0.1mm-0.2mm,另一方面形成类似于螺纹的连接关系,增强了金属接头和测试用管件的胶接强度,防止测试过程中胶接区域发生破坏而导致试验结果不准确,从而确保试验结果真实反映产品性能。
(6)本发明针对现有标准GB/T5350-2005《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》规定的试验件形式不适用于薄壁结构复合材料管件的问题,为薄壁测试用管件设计了胶接金属接头,扩展了复合材料管件压缩性能测试的测试范围,有助于复合材料结构产品的轻量化发展。
附图说明
图1为本发明方法流程图;
图2为外套筒示意图,其中(a)为外套筒剖视图,(b)为圆台和测试用管件连接的局部放大图;
图3为内套筒剖视图;
图4为加工得到的压缩试验件示意图。
具体实施方式
碳纤维增强树脂基复合材料管件尤其是薄壁管件是航空、航天器结构中常用的结构组件,大型卫星天线支架等大多采用碳纤维增强树脂基复合材料管件,因此对其结构性能进行测试非常重要。但是目前常用的测试方法GB/T5350-2005规定的试验件形式(即将待测管件两端壁厚增加),不适用于碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件,因为薄壁管件采用该方法测试时,在施加载荷后,自身不稳定,容易发生弯曲破坏,无法真实测量产品的实际压缩性能。因此,本发明提出了一种薄壁管件的压缩性能测试方法,该方法在用传统测试方法进行管件性能测试时首先为待测试管件两端加工并胶接内外套筒,形成压缩试验件,该试验件能够有效避免在压缩施加载荷进行测试时待测试管件的自身变形,从而得到待测试管件的实际压缩性能。
如图1所示,本发明的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,步骤如下:
(1)利用机械设备从待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件上截取一段作为测试用,截取时将管件内腔使用玻璃钢棒垫实,并对截取后得到的测试用管件两个端面铣加工,保证两个端面平行度0.05mm;
(2)为步骤(1)得到的测试用管件的D1端(设测试用管件的两端分别为D1端和D2端)加工金属接头,所述金属接头包括内套筒和外套筒,如图3所示,内套筒为空心圆柱体,其一端带有台阶,用于卡在测试用管件的端口处,如图2中(a)所示,外套筒包括一体成型的空心圆柱体和空心圆台,且外套筒空心圆柱体的一端与内套筒的台阶相匹配,外套筒中空心圆台的锥角为30度,且圆台上表面的半径与测试用管件的半径之差在0.5mm-2mm范围内。内套筒外径和测试用管件之间、测试用管件和外套筒内径之间的配合间隙为单边0.1~0.2mm。
(3)测量并计算测试用管件内径和外径平均尺寸、实际制备的内套筒外径平均尺寸以及外套筒内径平均尺寸,计算内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间相互配合的间隙值。
(4)根据步骤(3)计算得到的间隙值,选择与待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件相同牌号和规格的碳纤维丝束,使用REDUX420胶黏剂浸渍碳纤维丝束,然后将浸渍的碳纤维丝束缠绕胶接在内套筒外径和测试用管件D1端与外套筒胶接区域的外径上,浸渍的碳纤维丝束沿圆周方向均布,数量为3~8束。常温固化24小时后使用800目水砂纸对碳纤维丝束进行打磨,保证内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间的配合间隙值为单边0.1mm-0.2mm。
(5)将REDUX420胶黏剂均匀涂刷在测试用管件、内套筒、外套筒之间的胶接表面,然后将内套筒和外套筒胶接在测试用管件D1端,常温固化7天。
(6)重复步骤(2)—(5),为测试用管件的另一端(D2端)加工并胶接金属接头。
(7)利用数控加工设备在胶接好金属接头的测试用管件两端加工出装卡平面,要求每端端面平面度为0.02mm,且两端端面的平行度为0.05mm,加工完成后得到压缩试验件。
(8)在压缩试验件中部径向对称各贴一处应变片,然后将压缩试验件装卡在力学试验机上,应使压缩试验件轴线与试验机上、下夹头的中心线对准。
(9)运行力学试验机,测定压缩模量时,对压缩试验件进行均匀连续加载(如果有载荷和变形值的自动记录装置则均匀连续加载,如果没有,则应分级加载,加载级数不少于五级,相邻两级之间的载荷增量相同),记录载荷值及相应的变形值,并根据载荷值及相应的变形值计算待测试管件的压缩模量,其中施加的最大载荷不超过材料的弹性变形范围,加载速度为(1~2)mm/min。
(10)测定压缩强度时,对压缩试验件进行均匀、连续加载,加载速度为(5~6)mm/min,直至试样破坏,记录破坏载荷,并根据破坏载荷计算压缩强度。
实施例
以对内径Φ24mm,壁厚0.6mm的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件进行压缩性能测试为例:
一、利用金刚石砂轮片从待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件上截取长度为230mm一段作为测试用,截取时选用直径Φ24mm的玻璃棒插入待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件垫实,利用金刚石砂轮片对截取后得到的测试用管件两个端面铣加工,保证两个端面平行度0.05mm。
二、根据步骤一得到的测试用管件的内、外径尺寸为测试用管件的一端设计加工测试用金属接头,所述金属接头包括内套筒和外套筒,内套筒为空心圆柱体,其一端带有台阶,用于卡在测试用管件的端口处,外套筒包括一体成型的空心圆柱体和空心圆台,且外套筒空心圆柱体的一端与内套筒的台阶相匹配,内套筒外径和测试用管件之间、测试用管件和外套筒内径之间的配合间隙为单边0.1~0.2mm。
如图3所示,内套筒内径d’小于待测试管件内径4mm~8mm,内套筒台阶部分的外径D’大于待测试管件外径2mm~6mm,内套筒台阶的高度h为3mm~5mm,H为与待测试管件胶接的高度,d为待测试管件的内径。台阶部分的外径以及台阶的高度太小或内套筒的内径太大,容易在压缩过程中损坏,台阶部分的外径以及台阶的高度太大或内套筒的内径太小不具有实用性。
如图2中(a)所示,外套筒内径与待测试管件的外径D相同,外套筒圆柱体与内套筒台阶相匹配的部分内径为D’,与内套筒台阶部分的外径相同,相匹配部分的高度与内套筒台阶高度h相同。
外套筒中空心圆台的锥角为30度,且圆台上表面的半径与测试用管件的半径之差为0.5mm,如图2中(b)所示。
三、采用精度为0.02mm的游标卡尺测量测试用管件内径和外径平均尺寸,实际制备的内套筒外径平均尺寸以及外套筒内径平均尺寸,计算出内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间相互配合的间隙值;
四、按重量比A:B=10:4配置REDUX420胶黏剂,根据步骤三计算得到的间隙值,选择与待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件相同牌号和规格的碳纤维丝束浸渍REDUX420胶黏剂,然后将浸渍的碳纤维丝束缠绕胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域,沿圆周方向均布,数量为8束,常温固化24小时后使用800目水砂纸对碳纤维丝束进行打磨,保证内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间的配合间隙值均在单边0.1mm-0.2mm范围内。
五、将REDUX420胶黏剂均匀涂刷在测试用管件、内套筒、外套筒之间的胶接表面,然后将内套筒和外套筒胶接在测试用管件对应的一端,常温固化7天。
六、重复步骤二到五,为测试用管件的另一端加工并胶接金属接头。待测试管件完成胶接金属接头得到的压缩试验件如图4所示,其中1为内套筒,2为外套筒,3为待测试管件。
七、利用数控加工设备对胶接好金属接头的测试用管件两端进行加工,得到装卡平面,加工时保证每端端面平面度0.02mm,且两端端面的平行度0.05mm,加工完成后得到压缩试验件。
八、在压缩试验件有效测试段中部(即待测管件未胶接金属接头区域)径向对称各贴一处应变片;将经过步骤七制备好的测试用管件装卡在力学试验机上,安装时,应使试样轴线与试验机上、下夹头的中心线对准。
九、运行力学试验机,测定压缩模量时,对压缩试验件进行加载,有自动记录装置可连续加载,否则应分级加载,加载分级不少于五级,施加的最大载荷不应超过材料的弹性变形范围,记录各级载荷及相应的变形值。并根据各级载荷及相应的变形值计算待测试管件的压缩模量,加载速度为2mm/min。
(10)测定压缩强度时,对压缩试验件进行均匀、连续加载,直至试样破坏,记录破坏载荷(或最大载荷)与试样的破坏情况,并根据破坏载荷计算压缩强度,加载速度为5mm/min。
按下述公式计算压缩强度:
轴向压缩强度σt按公式(1)计算。
式中:
σt——轴向压缩强度,MPa;
F——破坏载荷(或最大载荷),N;
D——待测试管件平均外径,mm;
t——待测试管件平均壁厚,mm。
轴向压缩模量Et按公式(2)计算。
式中:
Et——轴向弹性压缩模量,GPa;
Lo——仪表测量标距(位移),mm;
ΔF——材料弹性范围内的载荷增量,N;
ΔL——与载荷增量ΔF对应的标距Lo内的变形增量,mm。
本发明解决了现有碳纤维增强树脂基复合材料管材力学性能测试方法不适用于薄壁复合材料管件的问题,通过采用新型压缩试验件制备方法,避免了试验过程中管件自身发生失稳破坏,为碳纤维薄壁复合材料管件提供了一种新的试验方法。使用该方法能够可靠的反映碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件实际的压缩性能。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (7)
1.碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,其特征在于步骤如下:
(1)利用机械设备从待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件上截取一段作为测试用,截取时将管件内腔使用玻璃钢棒垫实,并对截取后得到的测试用管件两个端面铣加工,保证两个端面平行度0.05mm;
(2)为步骤(1)得到的测试用管件的一端分别加工金属接头,所述金属接头包括内套筒和外套筒,内套筒外径和测试用管件之间、测试用管件和外套筒内径之间的配合间隙为单边0.1~0.2mm;
(3)测量并计算测试用管件内径和外径平均尺寸、实际制备的内套筒外径平均尺寸以及外套筒内径平均尺寸,计算内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间相互配合的间隙值;
(4)根据步骤(3)计算得到的间隙值,选择与待测试碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件相同牌号和规格的碳纤维丝束,使用胶黏剂浸渍碳纤维丝束,然后将浸渍的碳纤维丝束缠绕胶接在内套筒外径和测试用管件与外套筒胶接区域的外径上,常温固化24小时后使用800目水砂纸对碳纤维丝束进行打磨,保证内套筒和测试用管件之间以及测试用管件和外套筒之间的配合间隙值为单边0.1mm-0.2mm;
(5)将胶黏剂均匀涂刷在测试用管件、内套筒、外套筒之间的胶接表面,然后将内套筒和外套筒胶接在测试用管件一端,常温固化7天;
(6)重复步骤(2)—(5),为测试用管件的另一端加工并胶接金属接头;
(7)利用数控加工设备在胶接好金属接头的测试用管件两端加工出装卡平面,加工完成后得到压缩试验件;
(8)在压缩试验件中部径向对称各贴一处应变片,然后将压缩试验件装卡在力学试验机上;
(9)运行力学试验机,测定压缩模量时,对压缩试验件进行均匀连续加载,加载速度为1mm/min~2mm/min,记录载荷值及相应的变形值,并根据载荷值及相应的变形值计算待测试管件的压缩模量,其中施加的最大载荷不超过材料的弹性变形范围;
(10)测定压缩强度时,对压缩试验件进行均匀连续加载,加载速度为5mm/min~6mm/min,直至试样破坏,记录破坏载荷和位移,并根据破坏载荷计算压缩强度。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,其特征在于:所述步骤(2)中内套筒为空心圆柱体,其一端带有台阶,用于卡在测试用管件的端口处,外套筒包括一体成型的空心圆柱体和空心圆台,且外套筒空心圆柱体的一端与内套筒的台阶相匹配。
3.根据权利要求2所述的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,其特征在于:外套筒中空心圆台的锥角为30度,且圆台上表面的半径与测试用管件的半径之差在0.5mm-2mm范围内。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,其特征在于:所述步骤(4)中将浸渍的碳纤维丝束胶接在内套筒外径和测试用管件外径上的方式为:浸渍的碳纤维丝束沿圆周方向均布,数量为3~8束。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,其特征在于:所述步骤(7)中利用数控加工设备在胶接好金属接头的测试用管件两端加工出装卡平面时,要求每端端面平面度为0.02mm,且两端端面的平行度为0.05mm。
6.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,其特征在于:所述步骤(8)中将压缩试验件装卡在力学试验机上时,应使压缩试验件轴线与试验机上、下夹头的中心线对准。
7.根据权利要求1所述的碳纤维增强树脂基薄壁复合材料管件压缩性能测试方法,其特征在于:所述步骤(9)中对压缩试验件进行加载时,如果有载荷和变形值的自动记录装置则均匀连续加载,如果没有,则应分级加载,加载级数不少于五级,相邻两级之间的载荷增量相同。
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