CN105628496A - 一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，包括上夹具体和下夹具体；上夹具体与试验机加载部分连接，下夹具体与试验机云台连接；上、下夹具体结构相同且成中心对称；上、下夹具体均包括连接件(1)、夹持件(5)、夹紧机构；连接件(1)连接试验机和夹持件(5)；夹持件(5)分上下两部分，上部分与连接件(1)连接，且设置有限定角度机构，下部分和夹紧机构共同用于夹持试件；夹紧机构包括调节件和压紧件(6)，压紧件(6)通过调节机构连接夹持件(5)，夹持件(5)上设置有限定机构，用于限定压紧件的位置，使其沿设定轨迹运动。具有重量轻、操作简单、易于拆卸的优点，且能实现纯剪切、拉-剪、压-剪组合加载。

Description

一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具
技术领域
本发明涉及剪切试验夹具领域，尤其是一种用于复合材料参数识别的用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具。
背景技术
一般，若想实现试件面内的纯弯曲或纯剪切变形，往往通过固定试件一端，在试件另一端施加竖直向下的载荷。美国材料与试验协会(即ASTM)标准规定使用约西佩斯库(即Iosipescu)夹具做板材(如：金属、复合材料、塑料等)的剪切试验。ASTM标准中给出的V-开槽梁剪切夹具原理，标准中Iosipescu夹具由基座、左夹持模块、右夹持模块三部分组成，左夹持模块固定在基座上，试验过程中右夹持模块沿固定在基座上的导轨竖直向下运动。试验中通过调整压紧块的位置来完成试件的夹紧和松开。
另外也有些学者对ASTM标准中的夹具进行了改进，改进后的夹具增加了防止试件在加载过程中发生离面位移的约束，保证试件变形满足平面应力条件，同时将导轨增加至两条并在导轨下部安装了弹簧。
为保证夹具在试验过程中不发生变形或仅发生微小变形，常使用具有较高强度和屈服极限的钢材或金属合金作为夹具的制作材料，高强度金属材料往往具有较大的密度，这使Iosipescu夹具笨重且不便于拆卸。为保证加载过程中右端部分竖直向下运动，对导轨的加工和安装配合要求较高。在做刚度较大材料的剪切试验时，在载荷作用下试件在水平方向有伸缩变形，因此右侧导轨会受到水平力的左右，并且随着载荷增大该力会迅速增大，导轨会发生变形，导轨发生变形后与右夹持模块发生摩擦，使导轨表面变得不光滑，长期使用会降低导轨定位精度和载荷测量结果的精度。在使用Iosipescu夹具做板材(尤其是刚度小的塑料、复合材料)等材料的剪切试验时，夹具右侧夹持部分的重力作用足以使试件在试验机开始加载前，发生不容忽视的变形，这将影响实验测试的结果准确度。另外，目前该夹具仅能用于材料的纯剪切试验，不能用于研究材料在拉-剪、压-剪组合载荷条件下试件的变形行为研究。
在力学反问题研究中，通过加载条件、载荷条件与变形信息来反演表征材料的力学参数。变形信息往往由数字图像相关方法(Digitalimagecorrelation，即：DIC)、网格法等非接触光测力学方法获得，在试验场测量得到变形场的基础上，通过使用虚拟位移场方法(Virtualfieldmethod，即VFM)、有限元更新法、平衡本构间隙法等反演识别方法可提取得到材料的力学参数。若想通过单次试验准确得到材料的多个力学参数，需要材料在载荷作用下产生一个非均匀变形场。使用Iosipescu夹具加载能够得到合适的非均匀，对于各向同性材料而言，使用Iosipescu夹具进行加载使材料产生面内非均匀变形，用VFM等方法即可准确得到材料的全部力学参数。但对于正交各向同性材料和各向异性材料而言，其材料参数识别结果的准确程度受到材料主方向与载荷方向间夹角的影响。当材料主方向与载荷方向垂直时，往往不能同时保证所有识别得到的材料参数准确可靠，为解决此问题取样时往往要求试样有一定的纤维角度。按照一定纤维角取样不仅会造成材料的浪费且很难保证得到理想纤维角度的完好试样。这也使得该夹具在力学反问题研究中有很大的局限性。
综上所述，现有技术存在缺点总结如下：
1)结构复杂笨重不便于操作、拆卸、移动且对导轨的安装和加工要求高；
2)使用目前夹具很难获得准确的载荷信息；
3)功能单一、加载模式单一、在力学反问题领域应用有很大的局限性。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种简单实用的用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，该夹具不需要复杂笨重的基座、不需要加工安装弹簧和导轨；较现有的夹具而言具有重量轻、操作简单、易于拆卸的优点；使用该夹具进行试验能够获得更加准确的载荷信息；本发明的夹具具有纯剪切、拉-剪、压-剪组合三种加载模式，即使是材料纤维角为零度时也能够为材料参数识别提供足够丰富的非均匀变形场信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：该夹具包括上夹具体和下夹具体；所述的上夹具体与试验机的加载部分连接，下夹具体与试验机云台连接；所述的上夹具体和下夹具体结构相同且成中心对称结构；所述的上、下夹具体均包括连接件、夹持件、夹紧机构；所述的连接件连接试验机和夹持件；所述的夹持件分为上下两部分，上部分与连接件连接，且设置有限定角度机构，下部分和夹紧机构共同用于夹持测试件；所述的夹紧机构包括调节件和压紧件，压紧件通过调节机构连接于夹持件，夹持件上设置有限定机构，用于限定压紧件的位置，使其沿设定轨迹运动；压紧件与夹持件的接触面为斜面，且倾斜角度相同。
作为优选，所述的连接件的上部分为连接轴，上面设置有孔，套接在试验机的加载部分或云台上，并通过锁定销锁定。
作为优选，所述的连接件上还设置有锁紧机构，用于锁紧连接件，防止连接件出现晃动。
作为优选，所述的锁紧机构为锁紧环，通过螺纹连接在连接轴下部的凸台上。
作为优选，所述的连接件下部分为开叉结构，开叉部分平行且上面设定有若干角度限定孔，最优为两个限定孔，孔中心连线与连接轴中心平行。
作为优选，所述的夹持件上部的有若干组角度定位孔，每组定位孔位置与限定孔相对应，通过连接销将连接件与夹持件连接。
作为优选，所述的定位孔有三组，每组孔中线连线之间的夹角相同；当连接件连接中间一组定位孔时，夹持件的底边成水平；夹持件上部为圆弧形，圆弧与三组定位孔中心所在圆同心。
作为优选，所述的夹持件上，压紧件的限定机构为限定槽或限定凸起；当所述的限定机构为限定槽时，压紧件可在限定槽内滑动，当限定机构为限定凸起时，压紧件与夹持件的接触面上对应设置有槽。
作为优选，所述的调节机构为调节螺栓，调节螺栓穿过夹持件上的孔，连接压紧件。
作为优选，所述的夹持件底部还设置有台阶紧固件，台阶紧固件通过螺栓连接夹持件，台阶紧固件上还设置有螺纹孔，孔内安装有螺栓。
本发明的有益效果如下：
1)本发明通过连接件直接与试验机连接起来，不需要加工笨重复杂的基座、不需要安装精密加工的导轨来保证载荷沿竖直方向，具有结构紧凑、便于拆卸、易于操作的优点；
2)本发明通过改变夹具上下部分销钉安装位置，实现穿剪切、压-剪、拉-剪组合加载，使本发明具有多功能的特点；将其用于参数识别领域不需要加工一定纤维角度的试件也能获得满足力学参数识别的变形场，本发明为力学参数识别带来了便利；
3)本发明通过单个螺栓固定台阶紧固件，再通过台阶紧固件和螺栓来约束试件的离面位移，与现有技术相比本发明采用的方法更加的简单、实用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是连接件的机构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是夹持件的结构示意图；
图5是压紧件的结构示意图；
图6是图5的右视图；
图中：1、连接件；2、锁紧环；3、角度限定孔；4、定位孔；5、夹持件；6、压紧件；7、调节螺栓；8、螺栓；9、台阶紧固件；10、螺栓。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，该夹具包括上夹具体和下夹具体；所述的上夹具体与试验机的加载部分连接，下夹具体与试验机云台连接；所述的上夹具体和下夹具体结构相同且成中心对称结构；所述的上、下夹具体均包括连接件1、夹持件5、夹紧机构；所述的连接件1连接试验机和夹持件5；所述的夹持件5分为上下两部分，上部分与连接件1连接，且设置有限定角度机构，下部分和夹紧机构共同用于夹持测试件；所述的夹紧机构包括调节件和压紧件6，压紧件6通过调节机构连接于夹持件5上，夹持件5上设置有限定机构，用于限定压紧件的位置，使其沿设定轨迹运动；压紧件与夹持件5的接触面为斜面，且倾斜角度相同。所述的夹持件5底部还设置有台阶紧固件9，台阶紧固件9通过螺栓连接夹持件5。
所述的连接件1的上部分为连接轴，上面设置有孔，套接在试验机的加载部分或云台上，并通过锁定销锁定。所述的连接件1上还设置有锁紧机构，用于锁紧连接件1，防止连接件1出现晃动。所述的锁紧环2，通过螺纹连接在连接轴下部的凸台上。所述的连接件1下部分为开叉结构，开叉部分平行且上面设定有若干角度限定孔3，最优为两个限定孔，孔中心连线与连接轴中心平行。所述的夹持件5上部的有若干组角度定位孔4，每组定位孔4位置与限定孔相对应，通过连接销将连接件1与夹持件连接。所述的定位孔4有三组，每组孔中线连线之间的夹角相同；当连接件1连接中间一组定位孔4时，夹持件5的底边成水平；夹持件5上部为圆弧形，圆弧中心为定位孔4中心连线的交点。所述的夹持件5上压紧件的限定机构为限定槽或限定凸起；当所述的限定机构为限定槽时，压紧件6可在限定槽内滑动，当限定机构为限定凸起时，压紧件6与夹持件5的接触面上对应设置有槽。所述的调节机构为调节螺栓7，调节螺栓7穿过夹持件5上的孔，连接压紧件6。
实施例一
一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，由上下两部分构成，所述的上夹具体通过锁定销连接试验机的加载部分，下具体通过锁定销连接试验机云台；所述的上夹具体和下具体结构相同且成中心对称结构；将锁紧环2通过螺纹装配到连接件1上，连接件1的连接轴与试验机通过销钉孔连接在一起，通过锁紧环2达到紧连接件1的目的。使用销钉通过夹持件5中间一组通孔将其与连接件1连接起来，将压紧件6卡在夹持件5的导轨上，通过调节螺栓7将压紧件6与夹持件5连接起来。通过螺栓将台阶紧固件9固定在夹持件5上，将螺栓安装在台阶紧固件9的螺纹孔上。将螺栓拧入台阶紧固件9的螺纹孔后，将螺母安装在螺栓上，螺栓的螺纹杆不伸到螺母外，随着螺栓不断拧入，实现对试件的离面位移约束
按照具体试验要求，确定加载模式，纯剪切、拉-剪、压-剪，根据不同的加载模式安装夹具，由于加载模式不同夹具安装过程差别不大；在此，以纯剪切试验为例具体说明使用本发明做实验的具体方式。
具体实验流程如下：
A.安装夹具：由根据具体试验要求，按照具体实施方式中描述的连接关系安装夹具。夹具安装完毕并将试件固定在夹具上后需要将角度限定机构靠近试件的连接销拔掉，以免整个夹具、试件和试验机构成一个超静定系统，加载过程中在竖直方向载荷作用下，使试验机加载部分受到水平力作用造成试验机的破坏。
B.放置、固定试件：
在做试件的变形场测量时，需要预先在试件表面喷制散斑。按照ASTM标准做复合材料剪切试验时需要在试件中间预制V型槽。首先通过实验机加载部分的升降调节本发明上夹具体至能将放置试件位置；通过下夹具体的压紧件6和调节螺栓7将试件的左端固定；通过实验机对本发明上夹具体进行微调至合适位置，按照同样方法将试件右端固定。
C.设置加载条件：
根据试验要求设置试验机加载条件。
D.布置数字图像相关方法(DIC)测试系统：
在做试件变形场测量时，需要安装调试DIC测试系统，并设置图像采集模式、采集数量等。当然，也可以按照实验要求布置应变片测量指定位置处的应变。
E.加载、采集图像：
按照上述设定，触发试验机加载和DIC测试系统采集图像。
F.试验结果处理：
根据试验机的加载信息和DIC测试系统采集到的图片信息进行数据处理，得到试验过程中试件的变形场信息等试验人员感兴趣的信息。可以使用虚拟位移场法、有限元更新法等，根据试验得到的变形场信息和加载信息，通过单次试验处理得到材料的多个力学参数。在做材料参数反演识别时，为准确识别各参数需要获得非均匀的变形场，在做复合材料如：正交各向异性材料参数识别试验时，往往需要制作一定纤维角度的试件，然后通过纯剪切试验来获得变形场信息从而进行参数识别。使用本发明通过调整夹具，无需制作一定纤维角度的试件即可获得适合参数识别的变形场。值得一提的是，本夹具在纯剪切模式下，完全可以完成ASTM中规定的复合材料Iosipescu试验，同时还可以做各项同性材料的剪切试验及其力学参数识别试验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：该夹具包括上夹具体和下夹具体；所述的上夹具体与试验机的加载部分连接，下夹具体与试验机云台连接；所述的上夹具体和下夹具体结构相同且成中心对称结构；所述的上、下夹具体均包括连接件(1)、夹持件(5)、夹紧机构；所述的连接件(1)连接试验机和夹持件(5)；所述的夹持件(5)分为上下两部分，上部分与连接件(1)连接，且设置有限定角度机构，下部分和夹紧机构共同用于夹持测试件；所述的夹紧机构包括调节件和压紧件(6)，压紧件(6)通过调节机构将连接夹持件(5)上，夹持件(5)上设置有限定机构，用于限定压紧件(6)的位置，使其沿设定轨迹运动；压紧件(6)与夹持件(5)的接触面为斜面，且倾斜角度相同。
2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：所述的连接件(1)的上部分为连接轴，上面设置有孔，套接在试验机的加载部分或云台上，并通过锁定销锁定。
3.根据权利要求2所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：所述的连接件(1)上还设置有锁紧机构，用于锁紧连接件(1)。
4.根据权利要求3所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：所述的锁紧机构为锁紧环(2)，通过螺纹连接在连接轴下部的凸台上。
5.根据权利要求4所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：连接件(1)下部分为开叉结构，开叉部分平行且上面设定有若干角度限定孔(3)，最优为两个角度限定孔(3)，两个角度限定孔(3)中心连线与连接轴中心线平行。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：夹持件(5)上部的有若干组角度定位孔(4)，每组定位孔(4)位置与限定孔相对应，通过连接销将连接件(1)与夹持件连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：所述的定位孔(4)有三组，每组孔中线连线之间的夹角相同；当连接件(1)连接中间一组定位孔(4)时，夹持件(5)的底边成水平；夹持件(5)上部为圆弧形，圆弧与三组定位孔(4)中心所在圆同心。
8.根据权利要求7所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：所述的夹持件(5)上，压紧件的限定机构为限定槽或限定凸起；当所述的限定机构为限定槽时，压紧件(6)可在限定槽内滑动，当限定机构为限定凸起时，压紧件(6)与夹持件(5)的接触面上对应设置有槽。
9.根据权利要求8所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：所述的夹持件(5)底部还设置有台阶形紧固件(9)，台阶形紧固件(9)通过螺栓连接夹持件(5)，台阶形紧固件(9)上还设置有螺纹孔，孔内安装有螺栓。
10.根据权利要求1或9所述的一种用于复合材料参数识别的多功能剪切试验夹具，其特征在于：调节机构为调节螺栓(7)，调节螺栓(7)穿过夹持件(5)上的孔，连接压紧件(6)。
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