CN105606453B - 一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统 - Google Patents

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Abstract

一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统，它是由复合材料豆荚杆试验件、自由端夹持试验件的夹具、固支端夹持试验件的夹具、自由端支座、固支端支座、张拉索、双向螺纹、张拉索上的力传感器、固支端上的力传感器、变形测量设备、数据采集设备组成，通系统设计与集成装配连接形成试验系统，利用双向螺纹和张拉索上的张紧力实现轴向加载，通过力传感器和变形测量设备测定载荷和变形量。本发明构思科学，方案简洁，它可用于大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能测定，测得轴向压缩刚度和屈曲失稳载荷，而且该系统还具有简洁灵活、便于装配、成本低的特点。

Description

一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统
技术领域
本发明提供一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统，属于试验测试技术领域。
背景技术
复合材料豆荚杆由于具有重量轻、力学性能优异、可折叠与展开等特点，因此，在航空航天领域中得到广泛的关注和研究，具有良好的应用前景。例如德国宇航中心(DLR)和北京航空航天大学均对复合材料豆荚杆从材料、力学设计、制备工艺和试验验证等关键技术开展了系统的研究。复合材料豆荚杆的轴向性能包括刚度和屈曲失稳载荷，是非常重要的技术指标，德国宇航中心(DLR)和北京航空航天大学主要通过理论分析方法和缩比试验件的压缩试验来确定轴向压缩刚度和屈曲失稳载荷性能，这是由于利用现有的MTS等商用力学试验机只能完成长度为最长不超过1.5米的复合材料豆荚杆轴向压缩性能测定。在实际型号应用中，复合材料豆荚杆的长度要远大1.5米，甚至达到上百米，现有的MTS等商用力学试验机无法完成复合材料豆荚杆轴向压缩性能测定，此外，MTS等商用力学试验机系统复杂，价格也非常高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统，以解决大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能测定的技术问题。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统，它是由复合材料豆荚杆试验件、自由端夹持试验件的夹具、固支端夹持试验件的夹具、自由端支座、固支端支座、张拉索、双向螺纹、张拉索上的力传感器、固支端上的力传感器、变形测量设备、数据采集设备组成，它们之间的装配连接关系是：自由端夹持试验件的夹具和固支端夹持试验件的夹具分别与复合材料豆荚杆试验件的两端相连；自由端夹持试验件的夹具与自由端支座相连；固支端夹持试验件的夹具与固支端上的力传感器连接；固支端上的力传感器与固支端支座相连；通过张拉索将双向螺纹和张拉索上的力传感器串联连接；张拉索的两端分别与自由端支座和固支端支座固连；共需3根以上按照正多边角形布置形式的并串联有双向螺纹和张拉索上的力传感器的张拉索，具体根数可以根据需要确定，但必须按照正多边形布置，复合材料豆荚杆试验件长度方向的中心轴线必须通过张拉索按照正多边形方式布置的形心；张拉索上的力传感器和固支端上的力传感器均与数据采集设备相连；变形测量设备监控记录复合材料豆荚杆试验件的两端相对变形量。通过以上装配连接，形成试验系统。
所述的自由端夹持试验件的夹具和固支端夹持试验件的夹具完全相同，均由钢材或铝合金等金属材料制成，它们均由根据复合材料豆荚杆试验件的横截面几何形状和尺寸参数确定的2块浮动外廓、6块浮动内芯、夹具底座、定位螺栓组成，在浮动外廓、浮动内芯和夹具底座上均开有螺纹孔，用来定位，浮动外廓和浮动内芯均可定位在夹具底座上，可以通过调节定位螺栓旋进深度来控制浮动外廓和浮动内芯之间的间隙，进而控制自由端夹持试验件的夹具和固支端夹持试验件的夹具对复合材料豆荚杆试验件的夹紧程度；
所述的自由端支座由钢材或铝合金等金属材料制成，带有可自由滑动的滑轮或其它滑动装置，保证加载过程中能够自由滑动；
所述的固支端支座由钢材或铝合金等金属材料制成，被完全固定住，保证加载过程没有运动；
所述的张拉索为柔性的绳索，由金属或非金属材料制成，用来提供张紧力，尺寸型号需要根据试验中的极限载荷和张拉索所使用材料的力学性能确定；
所述的双向螺纹由钢材制成，它两端分别为左螺纹和由螺纹，两端与张拉索串联，旋紧双向螺纹可使张拉索上产生张紧力；
所述的张拉索上的力传感器是力的感应设备，可定制或选购，它的量程需要根据试验中的极限载荷确定，可实时监控张拉索上力的大小，保证每根根张拉索上的力均等，进而保证复合材料豆荚杆试验件轴向压缩加载；
所述的固支端上的力传感器是力的感应设备，可定制或选购，它的量程需要根据试验中的极限载荷确定，用来实时监控和测量复合材料豆荚杆试验件的轴向压缩载荷；
所述的变形测量设备可以是千分表、米尺、光学测距等设备，可以定制或选购，用来测量复合材料豆荚杆试验件两端的相对轴向压缩变形量；
所述的数据采集设备是用来采集张拉索上的力传感器和固支端上的力传感器测得的力和变形测量设备测的复合材料豆荚杆试验件两端的相对轴向压缩变形量，可以定制或选购。
本试验测试系统的工作原理及工况简介如下：
自由端支座和固支端支座起到对整个试验系统的约束和支撑作用。当开始复合材料豆荚杆试验件轴向压缩实验时，同步旋紧所有张拉索上的双向螺纹，这样张拉索上就会产生张紧力，该张紧力传递到两端的自由端支座和固支端支座，由于固支端支座被完全固定住不动，自由端支座在柔性绳索张紧力的作用下会随着复合材料豆荚杆试验件一起产生轴向位移，而复合材料豆荚杆试验件则会承受轴向压缩载荷，张拉索上的力传感器可以监控张拉索上的张紧力大小，保证每根张拉索上的张紧力均等，通过固支端支座上的力传感器读取复合材料豆荚杆试验件承受的总的轴向压缩载荷，通过变形测量设备测定对应轴向压缩载荷下复合材料豆荚杆试验件两端相对的压缩变形量，这样连续旋紧双向螺纹同时读取轴向载荷和相对变形量直至复合材料豆荚杆试验件发生屈曲失稳，就可测得整个加载过程的轴向压缩载荷位移曲线，通过轴向压缩载荷位移曲线可以确定轴向压缩刚度和屈曲失稳载荷。需要指出，在加载过程中，初始时要施加一定预紧力以保证张拉索张紧，方便后续精确控制加载过程，有利于保证每根张拉索上的张紧力的一致性。
本发明一种大尺寸复合材料管豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统，有益效果是可以用于大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能测定，测得轴向压缩刚度和屈曲失稳载荷，而且该系统简洁灵活且便于装配，成本也很低。
附图说明
图1是复合材料豆荚杆示意图。
图2是复合材料管豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统中的轴向压缩载荷加载原理示意图。
图3是自由端夹持试验件的夹具和固支端夹持试验件的夹具示意图。
图2中：1.复合材料豆荚杆试验件，2.自由端夹持试验件的夹具，3.固支端夹持试验件的夹具，4.自由端支座，5.固支端上的力传感器，6.固支端支座，7.张拉索上的力传感器，8.双向螺纹，9.张拉索；
图3中：10.浮动外廓，11.金浮动内芯，12.夹具底座，13.定位螺栓。
具体实施方式
结合图1至图3说明本发明的具体实施方式。
在图1中，给出了复合材料豆荚杆在完全展开状态下的几何示意图，由两片为型薄壳组成，通常由碳纤维树脂基复合材料制成。复合材料豆荚杆是一种应用于航天领域的薄壁复合材料杆件，可以折叠起来储存在很小的空间内，当需要展开时，利用折叠过程自身储存的弹性应变能进行展开，恢复至初始形状。
在图2和图3中，本发明一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统，它是由复合材料豆荚杆试验件1、自由端夹持试验件的夹具2、固支端夹持试验件的夹具3、自由端支座4、固支端支座6、张拉索9、双向螺纹8、张拉索上的力传感器7、固支端上的力传感器5、变形测量设备、数据采集设备组成，它们之间的装配连接关系是：自由端夹持试验件的夹具2和固支端夹持试验件的夹具3分别与复合材料豆荚杆试验件1的两端相连；自由端夹持试验件的夹具2与自由端支座相连4；固支端夹持试验件的夹具3与固支端上的力传感器5连接；固支端上的力传感器5与固支端支座6相连；通过张拉索9将双向螺纹8和张拉索上的力传感器7串联连接；张拉索9的两端分别与自由端支座4和固支端支座6固连；共需3根以上按照正多边角形布置形式的并串联有双向螺纹8和张拉索上的力传感器7的张拉索9，具体根数可以根据需要确定，但必须按照正多边形布置，复合材料豆荚杆试验件1长度方向的中心轴线必须通过张拉索9按照正多边形方式布置的形心；张拉索上的力传感器7和固支端上的力传感器5均与数据采集设备相连；变形测量设备监控记录复合材料豆荚杆试验件1的两端相对变形量。通过以上装配连接，形成试验系统。
所述的自由端夹持试验件的夹具2和固支端夹持试验件的夹具3完全相同，均由钢材或铝合金等金属材料制成，它们均由根据复合材料豆荚杆试验件的横截面几何形状和尺寸参数确定的2块浮动外廓10、6块浮动内芯11、夹具底座12、定位螺栓13组成，在浮动外廓10、浮动内芯11和夹具底座12上均开有螺纹孔，用来定位，浮动外廓10和浮动内芯11均可定位在夹具底座12上，可以通过调节定位螺栓13旋进深度来控制浮动外廓10和浮动内芯11之间的间隙，进而控制自由端夹持试验件的夹具2和固支端夹持试验件的夹具3对复合材料豆荚杆试验件1的夹紧程度；
所述的自由端支座4由钢材或铝合金等金属材料制成，带有可自由滑动的滑轮或其它滑动装置，保证加载过程中能够自由滑动；
所述的固支端支座6由钢材或铝合金等金属材料制成，被完全固定住，保证加载过程没有运动；
所述的张拉索9为柔性的绳索，由金属或非金属材料制成，用来提供张紧力，尺寸型号需要根据试验中的极限载荷和张拉索所使用材料的力学性能确定；
所述的双向螺纹8由钢材制成，它两端分别为左螺纹和由螺纹，两端与张拉索9串联，旋紧双向螺纹8可使张拉索9上产生张紧力；
所述的张拉索上的力传感器7是力的感应设备，可定制或选购，它的量程需要根据试验中的极限载荷确定，可实时监控张拉索上力的大小，保证每根根张拉索9上的力均等，进而保证复合材料豆荚杆试验件1轴向压缩加载；
所述的固支端上的力传感器5是力的感应设备，可定制或选购，它的量程需要根据试验中的极限载荷确定，用来实时监控和测量复合材料豆荚杆试验件1的轴向压缩载荷；
所述的变形测量设备可以是千分表、米尺、光学测距等设备，可以定制或选购，用来测量复合材料豆荚杆试验件1两端的相对轴向压缩变形量；
所述的数据采集设备是用来采集张拉索上的力传感器7和固支端上的力传感器5测得的力和变形测量设备测的复合材料豆荚杆试验件1两端的相对轴向压缩变形量，可以定制或选购。
本试验测试系统的工作原理及工况简介如下：
自由端支座4和固支端支座6起到对整个试验系统的约束和支撑作用。当开始复合材料豆荚杆试验件1轴向压缩实验时，同步旋紧所有张拉索9上的双向螺纹8，这样张拉索9上就会产生张紧力，该张紧力传递到两端的自由端支座4和固支端支座6，由于固支端支座6被完全固定住不动，自由端支座4在柔性绳索张紧力的作用下会随着复合材料豆荚杆试验件1一起产生轴向位移，而复合材料豆荚杆试验件1则会承受轴向压缩载荷，张拉索上的力传感器7可以监控张拉索9上的张紧力大小，保证每根张拉索9上的张紧力均等，通过固支端支座上的力传感器5读取复合材料豆荚杆试验件1承受的总的轴向压缩载荷，通过变形测量设备测定对应轴向压缩载荷下复合材料豆荚杆试验件1两端相对的压缩变形量，这样连续旋紧双向螺纹8同时读取轴向载荷和相对变形量直至复合材料豆荚杆试验件1发生屈曲失稳，就可测得整个加载过程的轴向压缩载荷位移曲线，通过轴向压缩载荷位移曲线可以确定复合材料豆荚杆试验件1的轴向压缩刚度和屈曲失稳载荷。需要指出，在加载过程中，初始时要施加一定预紧力以保证张拉索张紧，方便后续精确控制加载过程，有利于保证每根张拉索9上的张紧力的一致性。

Claims (1)

1.一种大尺寸复合材料豆荚杆轴向压缩性能的试验测试系统，其特征在于：它是由复合材料豆荚杆试验件、自由端夹持试验件的夹具、固支端夹持试验件的夹具、自由端支座、固支端支座、张拉索、双向螺纹、张拉索上的力传感器、固支端上的力传感器、变形测量设备、数据采集设备组成，它们之间的装配连接关系是：自由端夹持试验件的夹具和固支端夹持试验件的夹具分别与复合材料豆荚杆试验件的两端相连；自由端夹持试验件的夹具与自由端支座相连；固支端夹持试验件的夹具与固支端上的力传感器连接；固支端上的力传感器与固支端支座相连；通过张拉索将双向螺纹和张拉索上的力传感器串联连接；张拉索的两端分别与自由端支座和固支端支座固连；共需3根以上按照正多边角形布置形式的并串联有双向螺纹和张拉索上的力传感器的张拉索，具体根数根据需要确定，但必须按照正多边形布置，复合材料豆荚杆试验件长度方向的中心轴线必须通过张拉索按照正多边形方式布置的形心；张拉索上的力传感器和固支端上的力传感器均与数据采集设备相连；变形测量设备监控记录复合材料豆荚杆试验件的两端相对变形量；通过以上装配连接，形成试验系统；
所述的自由端夹持试验件的夹具和固支端夹持试验件的夹具完全相同，均由钢材或铝合金金属材料制成，它们均由根据复合材料豆荚杆试验件的横截面几何形状和尺寸参数确定的2块浮动外廓、6块浮动内芯、夹具底座、定位螺栓组成，在浮动外廓、浮动内芯和夹具底座上均开有螺纹孔，用来定位，浮动外廓和浮动内芯均定位在夹具底座上，通过调节定位螺栓旋进深度来控制浮动外廓和浮动内芯之间的间隙，进而控制自由端夹持试验件的夹具和固支端夹持试验件的夹具对复合材料豆荚杆试验件的夹紧程度；
所述的自由端支座由钢材或铝合金金属材料制成，带有可自由滑动的滑轮或其它滑动装置，保证加载过程中能够自由滑动；
所述的固支端支座由钢材或铝合金金属材料制成，被完全固定住，保证加载过程没有运动；
所述的张拉索为柔性的绳索，由金属或非金属材料制成，用来提供张紧力，尺寸型号需要根据试验中的极限载荷和张拉索所使用材料的力学性能确定；
所述的双向螺纹由钢材制成，它两端分别为左螺纹和由螺纹，两端与张拉索串联，旋紧双向螺纹可使张拉索上产生张紧力；
所述的张拉索上的力传感器是力的感应设备，它的量程需要根据试验中的极限载荷确定，可实时监控张拉索上力的大小，保证每根根张拉索上的力均等，进而保证复合材料豆荚杆试验件轴向压缩加载；
所述的固支端上的力传感器是力的感应设备，它的量程需要根据试验中的极限载荷确定，用来实时监控和测量复合材料豆荚杆试验件的轴向压缩载荷；
所述的变形测量设备是千分表、米尺、光学测距设备，用来测量复合材料豆荚杆试验件两端的相对轴向压缩变形量；
所述的数据采集设备是用来采集张拉索上的力传感器和固支端上的力传感器测得的力和变形测量设备测的复合材料豆荚杆试验件两端的相对轴向压缩变形量。
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