CN105352885A - 一种用于测试不同角度z-pin桥联作用的夹具和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测试不同角度z-pin与复合材料层合板桥联作用的夹具及测试方法，所述夹具，上方配置的连接板(4)和下方呈开口向上U字形的限位臂(5)，相互连接形成矩形框架；圆柱棒状的安装杆(3)固定于连接板(4)的正中；限位臂(5)的底板上开设通孔，安装斜垫块(6)，斜垫块(6)斜边呈与试验件使用状态相一致的角度，在斜垫块(6)上开设通孔；限位臂(5)底板上开设通孔，试验件上z-pin穿过此两通孔，所述方法应用所述夹具和材料试验机分五道步骤完成。应用所提出的夹具和方法，可实现不同角度z-pin与层合板桥联作用的直接、实时测量，测试结果具有较高的可靠度和可重复性。

Description

一种用于测试不同角度z-pin桥联作用的夹具和测试方法

技术领域

本发明属于z-pin与树脂基复合材料层合板桥联效应测试方法，具体涉及通过把一根z-pin从一个层合板拔出以及使用不同斜角的垫块，实现不同角度z-pin与层合板拔出过程中z-pin与层合板之间的作用力以及相对位移的直接、实时测量。

背景技术

纤维增强复合材料与传统金属材料相比，具有高比强、高比模、各向异性、耐疲劳、耐高温、耐腐蚀和性能可设计等优点，在航空、航天、车辆、船舶、建筑、石油、桥梁、风电和建筑等工程领域的应用潜力巨大。然而，然而，目前复合材料层合板的不同单层之间依靠树脂结合，层间强度和韧性较低，其抗分层、抗冲击能力弱等问题随着其应用也逐渐暴露。提高复合材料层合板的层间性能的方法大致可分两类，一是通过改善基体性能(包括强度和韧性)来提高复合材料层间强度和韧性，另外是对固化前的复合材料层合板应用z-pinning等层间增强技术进行层间增强和增韧。其中，z-pinning技术是在固化前的层合板预浸料厚度方向嵌入浸有树脂的纤维或金属短棒，再固化形成Z向增强层合板。应用该工艺，层合板面内强度只是少量退化，其层间断裂韧性却大大提高。

Z-pinning工艺中，针对不同的结构及其使用情况，通过更改z-pin的直径、材料、体积分数等参数，可以得到较优的增强方案。而通过实验方法，得到z-pin与复合材料层合板的桥联法则，则是进行工艺优化的前提。然而，截至到目前还未见关于z-pin与复合材料桥联作用力的标准实验方法。目前大量的试验是把若干z-pin(通常采用3排、3列的排布方式)嵌入两个不同的层合板，然后拉伸层合板，从而获得z-pin在层合板中拔出过程中作用力与位移之间的关系。此方法难以分别确定拔出过程中z-pin与两层合板的相对位移，在某一时刻，z-pin可能在从其中一层合板中拔出，但在另一时刻，z-pin可能在从另一层合板中拔出，而且在某一时刻，z-pin还可能从两个层合板中同时拔出。以上问题导致试验结果的分散性较大，难以通过实验得到确定的z-pin与确定的层合板之间的桥联作用。而且，这种拔出试验方法需要在两层合板的外表面(非贴合面)粘结夹具，粘结质量在一定程度上也会对试验结果造成影响。因此，需要发展可靠的试验方法，准确测得单根z-pin在某一层合板之间拔出过程中的作用力和拔出位移之间的对应关系，从而优化z-pinning工艺方案，得到最优的层间增强效果。

另外，在某些使用情况和位置，为充分发挥z-pin的增强效果，可能需要植入斜z-pin，即z-pin轴向并非与层合板法向一致，两者之间可能存在夹角。因此，需要发展可适应不同角度的z-pin拔出试验方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种直接测得单一z-pin从复合材料层合板拔出过程桥联作用力与相对位移之间对应关系的夹具和方法，并且z-pin轴向既可以与层合板法向一致，也可以与层合板法向呈某一夹角。

为实现上述目的，本发明采用一种用于测试不同角度z-pin与复合材料层合板桥联作用的夹具，其特征在于：

上方水平配置的连接板和下方呈开口向上，两端翻边U字形的限位臂，由螺栓在翻边处相互连接形成矩形框架；

圆柱棒状的安装杆垂直固定于连接板的正中；

限位臂的底板上开设通孔，在所述底板上安装斜垫块，所述斜垫块呈直角三角形状，一直角边与所述底板相贴，另一直角边垂直，斜边呈与试验件使用状态相一致的角度，在斜垫块上开设与限位臂底板上开设直径一致的通孔；

所述限位臂底板及在斜垫块上开设直径远大于试验件上z-pin直径的通孔，使z-pin穿过此两通孔后可在一定范围内移动，实现z-pin与试验机轴线自动对中；

所述连接板和限位臂由合金钢板制作，且有适当厚度，保证在试验过程中其变形可忽略。

进一步，所述安装杆的端部为螺纹，垂直从上向下穿入连接板正中的孔，由螺母在反面旋紧固定连接。

进一步，所述斜垫块的斜面有多种角度。

进一步，所述限位臂底板及在斜垫块上开设通孔的直径为5～10毫米。

为实现本发明目的，采用一种测试不同角度z-pin与复合材料层合板桥联作用的方法，包括如下步骤：

1)按照包括z-pin的形状和材料参数、层合板的材料和铺层参数、z-pin与层合板的夹角测试要求，设计并制作带有一根z-pin的复合材料层合板试验件；

2)根据z-pin与层合板的夹角，制作或选用合适角度的垫块；

3)把夹具组装为一体，并把试验件安装于夹具，z-pin从斜垫块(6)和限位臂(5)中心的通孔伸出；

4)用试验机的上下夹头分别夹紧夹具的安装杆和z-pin，改变试验机上下夹头之间的相对距离，直至z-pin从层合板中拔出；

5)读取或输出试验机z-pin与层合板桥联作用曲线，即通过把一根z-pin从单一复合材料层合板拔出，由材料试验机自带的力和位移传感器实时测得拔出过程中作用力与拔出位移的关系值。

进一步，所述带有一根z-pin的复合材料层合板试验件的z-pin从复合材料层合板中伸出足够的长度，以实现与试验机的连接。

再进一步，所述一根z-pin从复合材料层合板中伸出50～60毫米。

进一步，所述材料试验机包括静力试验机或疲劳试验机；

测试z-pin在准静态载荷下z-pin与复合材料层合板的桥联作用，使用静力试验机；

测试z-pin在循环载荷下z-pin与复合材料层合板的桥联作用，使用疲劳试验机。

本发明具有的优点和有益效果。

1、本发明提出可以测试单根z-pin与特定层合板桥联效应，以及可实现不同角度z-pin与层合板之间桥联效应的测量工装及其使用方法。

2、使用一套工装，通过选择不同的垫块，降低工装成本的同时，提高单一z-pin与特定层合板桥联效应测量的准确性。

附图说明

图1是斜z-pin增强复合材料层合板示意图；

图2是带有一根z-pin的复合材料层合板试验件；

图3是本发明不同角度的z-pin拔出试验夹具正视图；

图4是本发明不同角度的z-pin拔出试验夹具分解图；

图5是本发明不同角度的z-pin拔出试验设置图；

图6为z-pin与层合板桥联作用曲线。

图中，1是复合材料层合板，2是z-pin，3是安装杆，4是连接板，5是限位臂，6是斜垫块，7是螺栓，8是螺母，9是螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种用于测试不同角度z-pin与复合材料层合板桥联作用的夹具，上方水平配置的连接板4和下方呈开口向上，两端翻边U字形的限位臂5，由螺栓7在翻边处相互连接形成矩形框架；

圆柱棒状的安装杆3垂直固定于连接板4的正中；

限位臂5的底板上开设通孔，在所述底板上安装斜垫块6，所述斜垫块6呈直角三角形状，一直角边与所述底板相贴，另一直角边垂直，斜边呈与试验件使用状态相一致的角度，在斜垫块6上开设与限位臂5底板上开设直径一致的通孔；

所述限位臂5底板及在斜垫块6上开设直径远大于试验件上z-pin直径的通孔，使z-pin穿过此两通孔后可在一定范围内移动，实现z-pin与试验机轴线自动对中；

所述连接板4和限位臂5由合金钢板制作，且有适当厚度，保证在试验过程中其变形可忽略。

所述安装杆3垂直从上向下穿入连接板4的正中，由螺母在反面固定连接。结构简单，连接牢固。

所述斜垫块6的斜面有多种角度。可根据不同的z-pin与层合板夹角情况选择使用，如z-pin与层合板法向重合，则不使用垫块。

所述限位臂5底板及在斜垫块6上开设通孔的直径为5～10毫米。在此范围内可以保证z-pin与试验机轴线自动对中。

一种测试不同角度z-pin与复合材料层合板桥联作用的方法，包括如下步骤：

1)按照包括z-pin的形状和材料参数、层合板的材料和铺层参数、z-pin与层合板的夹角测试要求，设计并制作带有一根z-pin的复合材料层合板试验件；

2)根据z-pin与层合板的夹角，制作或选用合适角度的垫块；

3)把夹具组装为一体，并把试验件安装于夹具，z-pin从斜垫块6和限位臂5中心的通孔伸出；

4)用试验机的上下夹头分别夹紧夹具的安装杆和z-pin，改变试验机上下夹头之间的相对距离，直至z-pin从层合板中拔出；

5)读取或输出试验机z-pin与层合板桥联作用曲线，即通过把一根z-pin从单一复合材料层合板拔出，由材料试验机自带的力和位移传感器实时测得拔出过程中作用力与拔出位移的关系值。

所述带有一根z-pin的复合材料层合板试验件的z-pin从复合材料层合板中伸出足够的长度，以实现与试验机的连接。

所述一根z-pin从复合材料层合板中伸出50～60毫米。确保实现与试验机的连接。

所述材料试验机包括静力试验机或疲劳试验机；

测试z-pin在准静态载荷下z-pin与复合材料层合板的桥联作用，使用静力试验机；

测试z-pin在循环载荷下z-pin与复合材料层合板的桥联作用，使用疲劳试验机。

所述桥联作用力与相对位移之间的对应关系通过把一根z-pin从单一复合材料层合板拔出，并通过材料试验机自带的力和位移传感器实时测得拔出过程中的作用力与拔出位移。

实施例

如图5所示，通过本发明装置测得z-pin轴向与层合板的夹角为35度的试验设置，此时斜垫块6的斜边与试验件使用状态相一致，与水平面呈35度角，在斜垫块6上开设与限位臂5底板上开设直径一致的通孔，通孔直径为8毫米，层合板通过夹具固定，夹具的安装杆与试验机上夹头连接，直径为1毫米的z-pin与试验机下夹头固定。试验机上夹头以2毫米/分钟的速度向上移动，把z-pin从厚度为4毫米的层合板中拔出，试验机内自带的载荷和位移传感器实时测得试验过程中z-pin与层合板的相对作用力和位移。力-位移曲线如图6所示。曲线的最顶点即为最大桥联作用力。z-pin与层合板开始脱粘后，作用力迅速下降，直至完全脱粘，之后在摩擦力的作用下，作用力慢慢将至零。

Claims (8)

1.一种用于测试不同角度z-pin与复合材料层合板桥联作用的夹具，其特征在于：

上方水平配置的连接板(4)和下方呈开口向上，两端翻边U字形的限位臂(5)，由螺栓(7)在翻边处相互连接形成矩形框架；

圆柱棒状的安装杆(3)垂直固定于连接板(4)的正中；

限位臂(5)的底板上开设通孔，在所述底板上安装斜垫块(6)，所述斜垫块(6)呈直角三角形状，一直角边与所述底板相贴，另一直角边垂直，斜边呈与试验件使用状态相一致的角度，在斜垫块(6)上开设与限位臂(5)底板上开设直径一致的通孔；

所述限位臂(5)底板及在斜垫块(6)上开设直径远大于试验件上z-pin直径的通孔，使z-pin穿过此两通孔后可在一定范围内移动，实现z-pin与试验机轴线自动对中；

所述连接板(4)和限位臂(5)由合金钢板制作，且有适当厚度，保证在试验过程中其变形可忽略。

2.根据权利要求1所述夹具，其特征在于所述安装杆(3)的端部为螺纹，垂直从上向下穿入连接板(4)正中的孔，由螺母在反面旋紧固定连接。

3.根据权利要求1所述夹具，其特征在于所述斜垫块(6)的斜面有多种角度。

4.根据权利要求1所述夹具，其特征在于所述限位臂(5)底板及在斜垫块(6)上开设通孔的直径为5～10毫米。

5.一种测试不同角度z-pin与复合材料层合板桥联作用的方法，包括如下步骤：

1)按照包括z-pin的形状和材料参数、层合板的材料和铺层参数、z-pin与层合板的夹角测试要求，设计并制作带有一根z-pin的复合材料层合板试验件；

2)根据z-pin与层合板的夹角，制作或选用合适角度的垫块；

3)把夹具组装为一体，并把试验件安装于夹具，z-pin从斜垫块(6)和限位臂(5)中心的通孔伸出；

4)用试验机的上下夹头分别夹紧夹具的安装杆和z-pin，改变试验机上下夹头之间的相对距离，直至z-pin从层合板中拔出；

5)读取或输出试验机z-pin与层合板桥联作用曲线，即通过把一根z-pin从单一复合材料层合板拔出，由材料试验机自带的力和位移传感器实时测得拔出过程中作用力与拔出位移的关系值。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述带有一根z-pin的复合材料层合板试验件的z-pin从复合材料层合板中伸出足够的长度，以实现与试验机的连接。

7.根据权利要求5或6所述方法，其特征在于：所述一根z-pin从复合材料层合板中伸出50～60毫米。

8.根据权利要求5所述方法，其特征在于：所述材料试验机包括静力试验机或疲劳试验机；

测试z-pin在准静态载荷下z-pin与复合材料层合板的桥联作用，使用静力试验机；

测试z-pin在循环载荷下z-pin与复合材料层合板的桥联作用，使用疲劳试验机。