CN107631926A - 一种复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，用于对冲击后的层板试验件进行压缩试验，其属于复合材料试验技术领域，所述试验装置包括：导向部件，导向部件内具有导向通道，导向通道的导向方向与加载机构的加载方向一致；加载部件，加载部件设置于导向通道内，加载部件连接于加载机构用于向层板试验件传递加载力；固定部件，固定部件与层板试验件平面固定，使层板试验件的平面平行于加载机构的加载方向。本发明的试验装置优点在于:复合材料层合板试件无需剪裁可直接用来做疲劳试验，以及使用该试验装置时层板试验件对中性好，试验过程中层板试验件只能在一个自由度下发生压缩位移，可以保证层板试验件不会发生失稳破坏。

Description

一种复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置

技术领域

本发明属于复合材料疲劳试验技术领域，尤其涉及一种复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置及方法。

背景技术

复合材料层合板以其比强度高、比刚度高、可设计性强等优点，已经成为现代航空航天领域不可缺少的材料之一，但是复合材料层合板由于其特殊的构成方式导致对冲击载荷比较敏感，尤其在承受低速冲击后，层合板表面几乎看不出损伤，而内部却会产生大面积基体开裂和层间分层等损伤，这些损伤会导致冲击后复合材料构件的压缩强度大大降低，而在压缩疲劳载荷下，这些损伤可以彼此诱发相互耦合，其损伤演化和破坏机理十分复杂。目前随着复合材料在飞行器主承力结构上的广泛应用，需对对含有初始低速冲击损伤复合材料层合板进行压缩疲劳试验，以验证其冲击后的力学性能。

现有技术中对于含有初始低速冲击损伤复合材料层合板的压缩疲劳试验方法仍没有统一标准，常用的一种方法就是将试件直接夹持在疲劳试验机上，但由于低速冲击试验标准中规定的试件的尺寸为长150mm×宽100mm，而疲劳试验机的夹头往往没有这么大的开口尺寸，这就要求试件在低速冲击试验后要进行裁剪才能进行疲劳试验，而且疲劳试验机的夹持力往往过大，直接夹持会导致试件在疲劳试验中容易在夹持处发生破坏。另一种试验研究是根据压缩静力试验的标准进行修改来完成，通过对试件四周进行固定，用端部加载的方式将载荷引入试样工作段，这种方法的优点是试件在做完低速冲击试验后不用剪裁直接可以做压缩试验，但是该方法中的加载方式是用一个“帽子”盖在试件上，压缩载荷通过“帽子”传递给试件，由于该种方法是为冲击后压缩剩余强度试验设计的，负责传递载荷的“帽子”也没有固定，试件与夹具间存在明显的空隙，在静力试验中，试件只需承受一次加载过程，而在疲劳试验中，试件和夹具间的反复摩擦会导致试件的周边首先发生破坏，因此该方法只适合于静力试验。还有采用剪切的方式将载荷引入试样工作段，其原理是通过圆锥形的楔形夹块将载荷以剪切的形式传递到试样上，但是圆筒形夹具的最大问题在于其导向作用的圆筒与加载用的圆锥体之间存在较大的间隙，而且夹具中加强片的厚度、平直度和平行度，都会影响夹具的对中度，因而在加载过程中会容易产生弯曲失稳的现象，而且该方法要求的试件类型并不是低速冲击试验中所用试件的尺寸，这就要求试件在低速冲击试验后要进行裁剪才能进行疲劳试验，这些在试验过程中都不方便实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，用于解决上述任一问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，用于对冲击后的层板试验件进行压缩试验，所述试验装置包括

导向部件，导向部件内具有导向通道，导向通道的导向方向与加载机构的加载方向一致；

加载部件，加载部件设置于导向通道内，加载部件连接于加载机构用于向层板试验件传递加载力；

固定部件，固定部件与层板试验件平面固定，使层板试验件的平面平行于加载机构的加载方向。

进一步的，导向部件上设有观察口，通过观察口能够观察到层板试验件的冲击部位。

进一步的，所述导向部件为两相互对称设置且截面成“П”型的导向单元，两导向单元通过调节螺杆连接。

进一步的，所述加载部件为两沿着加载方向对称设置且具有T型槽的加载单元，层板试验件两端面设置于T型槽内，通过固定部件与加载单元固定。

进一步的，固定部件与加载单元通过调节螺栓固定，用于调节固定部件对层板试验件的压紧力。

进一步的，还包括传递单元，所述传递单元设置于加载单元的T型槽内与层板试验件接触，用于传递加载机构的加载力。

进一步的，还包括滑轨单元，滑块单元设置于导向通道内且位于导向单元与加载单元之间。

进一步的，所述滑轨单元的数量为八个，以四个为一组，分布于加载单元周围。

本发明的试验装置优点在于:(1)本发明装置对于根据相关标准制备的复合材料层合板试件可以无需剪裁直接用来做疲劳试验；(2)固定好试件后，层板试验件与试验装置的接触部分没有缝隙，层板试验件在疲劳试验过程中不会因为晃动和摩擦在试件周边产生破坏；(3)本发明中的层板试验件对中性好，试验过程中层板试验件只能在一个自由度下发生压缩位移，可以保证层板试验件不会发生失稳破坏；(4)本发明适合在任一款液压伺服疲劳试验机上进行操作，只要下夹头保持平整即可，对试验机夹头没有其他特殊要求。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置结构图。

图2为本发明的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置正视图。

图3为本发明的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置侧视图。

图4为本发明的加载单元正视图。

图5为本发明的加载单元侧视图。

图6为本发明的滑轨正视图。

图7为本发明的滑轨侧视图。

图8为本发明的层板试验件示意图。

附图标记：

1-导向部件，11-导向通道，12-观察口，13-导向单元，14-调节螺杆；

2-加载部件，21-加载单元，22-压紧螺栓，23-固定螺栓；

3-固定部件；

4-传递单元；

5-滑轨单元。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

为克服现有技术中无法将低速冲击试验后的复合材料层合板试件直接应用于压缩疲劳试验的不足，提供一种复合材料层合板在低速冲击后的压缩疲劳试验装置，用于解决含有初始低速冲击损伤复合材料层合板压缩疲劳试验中固定试件的问题，使得复合材料层合板在低速冲击试验后无需剪裁，可直接用于压缩疲劳试验，在疲劳试验中，层板试验件10只能在一个自由度下沿着压缩载荷的方向移动，避免了疲劳试验中对层板试验件10的磨损，同时也很好的解决了试件在压缩载荷下对中性的问题，大大降低了压缩疲劳试验中失稳的可能性。

如图1至图7所示，本发明的压缩疲劳试验装置包括导向部件1、加载部件2及固定部件3，导向部件1用于使加载部件2沿着导向部件1指定的方向进行加载，而固定部件3用于固定层板试验件10于加载部件2上。

导向部件1内具有导向通道11及观察口12，导向通道11的导向方向与加载机构的加载方向一致，观察口12能够观察到层板试验件10的冲击部位。在本发明中，导向部件1由两个相互对称设置且截面成“П”型的导向单元13构成，两导向单元13对置放置则中间部位形成了导向通道11，导向单元13在外侧四个角开有四个圆孔，两个导向单元13通过四个调节螺杆14穿过圆孔连接并通过调节螺杆14来调节两导向单元13之间的距离，以限制导向通道14中的加载部件2的自由度及加紧力，使得加载部件2只能沿着两导向单元13形成的导向通道14做上下移动。此外，在导向单元13的侧面开有一个矩形槽，此矩形槽即为观察口12，通过观察口12可观察到层板试验件10的试验情况。

加载部件2由上下对称设置的两加载单元21构成，两加载单元21均置于导向通道11内，加载单元21连接于加载机构，可向层板试验件10传递加载力。加载单元21具有一个T型槽，T型槽的顶部垂直于加载方向，T型槽底部平行与加载方向，在加载单元21的一侧设有螺栓孔，螺栓孔穿过侧壁联通至T型槽，两加载单元21相对摆放，层板试验件10的两端面置于T型槽中，两个加载单元21开T形孔槽的一侧朝向调节螺杆14，方便通过侧面的空间来调节层板试验件10的位置。固定好层板试件10之后，其中下侧的加载单元21置于疲劳试验机的下夹头且与之接触，上侧的加载单元21与疲劳试验机的上夹头接触连接，疲劳试验中通过上下两个夹头相对位移的变化来对层板试验件10施加压缩疲劳载荷。

在本发明中，为了对层板试验件10更好的传递压缩载荷载荷和夹持力，在每个加载单元21中装配一个固定部件3，本实施例中固定部件3为一个长方体结构，其设置于加载单元21的T型槽中的底部，其与层板试验件10平面接触，通过压紧螺栓22穿过加载单元21侧面的螺栓孔顶住固定单元3可固定层板试验件10及调节固定单元对层板试验件10的加紧力，最终使得层板试验件10在加载单元21内部只能沿着压缩载荷的方向移动。

在本发明中，在导向通道内还设有滑轨单元5，用于减少加载单元21与导向单元13之间的摩擦。在本实施例中，滑轨单元5为矩形条状体，其设置于导向单元13内侧直角处，通过固定螺栓23与导向单元13固定，其一端面还接触于加载单元21。在每个导向单元13上设置了四个滑轨单元5，两个导向单元13对置包裹住了加载单元21，进而每个加载单元21也被四个滑轨单元5包围。需要说明的是，在本发明的附图中，每个直角处的滑轨单元5为两段，其分别与上下设置的加在单元21接触，而在另一方案中，还可将每个直角处的滑轨单元5设为一整段。另外，滑轨单元5用于减少摩擦，因此其与加载单元21接触的面的表面应光滑，其粗糙度不宜过高。

在本发明中，还设置了传递单元4，传递单元4用于传递加载单元21对层板试验件10的加载力。在本发明实施例中，传递单元4为一个长方体，其设置于加载单元21的T型槽顶部，与层板试验件10垂直，通过传递单元4将施加在加载单元21上的疲劳载荷传递给含有初始损伤的层板试验件10。需要理解的是，在实验过程中，因传递单元4设置于T型槽顶部，其厚度不应超过T型槽顶部的厚度，

在本发明中，上述的压紧螺栓22为一个普通螺栓，每个加载单元21中需要装配四个压紧螺栓22，通过压紧螺栓将固定单元3顶向层板试验件10的一侧，使固定单元3与加载单元21将层板试验件10夹紧，具有固定层板试验件10的功能。上述固定螺栓23为一个普通螺栓，每个滑轨单元5与导向单元13的连接需要两个固定螺栓23，通过固定螺栓23连接导向单元13和滑轨单元5，需要说明的是，若滑轨单元5为整段时，固定螺栓23的数量可进行调整，以能固定为准，不限于采用两个。上述调节螺杆14为一根普通螺杆，通过四个调节螺杆连接两个导向单元13，从而使得两个导向单元13可以抱紧加载单元21，使得加载单元21在导向单元13中只能沿着压缩载荷的方向移动。

通过本发明的试验装置，可应用于含有初始冲击损伤复合材料层合板的压缩疲劳试验，其试验方法可以无需对冲击后的层板试验件10剪裁，直接应用于压缩疲劳试验，并且很好的保证了加载过程中层板试验件10的对中性，具体通过如下步骤实现：

步骤一、层板试验件的制备

根据相关标准，选取尺寸为长150mm×宽100mm的复合材料层合板试验件，层板试验件的厚度根据实际情况确定即可，通过低速冲击试验机对层板试验件预制初始冲击损伤，冲击后的层板试验件参照图8，将层板试验件取下低速冲击试验机；

步骤二、组装本发明的试验装置

组装本发明中的各个部件，

(1)本发明提供的试验装置共需要两个导向单元13，每个导向单元13需要连接四个滑轨单元5，通过固定螺栓23连接导向单元13与滑轨单元5；

(2)本发明提供的试验装置共需要两个加载单元21，将两个加载单元21放置于第一步组装好的两导向单元13形成的导向通道14中，每个加载单元21都开了一个T型槽，在T型槽的一侧均含有四个螺栓孔，两个加载单元21的T型槽需要朝内侧并相互对应，且两个加载单元21中的螺栓孔需要朝向同一侧；

(3)分别将传递单元4和固定单元3放置于加载单元的T型槽的顶部和底部中；

(4)组装好以上部件后，用四个调节螺杆8将两个导向单元13固定，并通过螺母拧紧，使得两个加载单元21只能沿着导向通道14移动；

步骤三、固定层板试验件

将制备好的层板试验件10插入加载单元21的T型槽，一侧靠近加载单元21，一侧靠近固定单元3，通过压紧螺栓22使固定单元3与加载单元21将层板试验件10夹紧；

步骤四、压缩疲劳试验

将组装好的试验装置放置于液压疲劳试验机的上下夹头上，调整夹头位置，使上夹头与装置以较小的力接触，通过设定疲劳试验参数，即可进行疲劳试验，最终在压缩载荷作用下可观察和得到层板试验件在受到冲击后在对其压缩，得到其性能的影响。

本发明的试验装置与现有技术相比的优点在于:

(1)本发明装置对于根据相关标准制备的复合材料层合板试件可以无需剪裁直接用来做疲劳试验；

(2)固定好试件后，层板试验件与试验装置的接触部分没有缝隙，层板试验件在疲劳试验过程中不会因为晃动和摩擦在试件周边产生破坏；

(3)本发明中的层板试验件对中性好，试验过程中层板试验件只能在一个自由度下发生压缩位移，可以保证层板试验件不会发生失稳破坏；

(4)本发明适合在任一款液压伺服疲劳试验机上进行操作，只要下夹头保持平整即可，对试验机夹头没有其他特殊要求。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，用于对冲击后的层板试验件进行压缩试验，其特征在于，所述试验装置包括

导向部件(1)，导向部件(1)内具有导向通道(11)，导向通道(11)的导向方向与加载机构的加载方向一致；

加载部件(2)，加载部件设置于导向通道(11)内，加载部件(2)连接于加载机构用于向层板试验件(10)传递加载力；

固定部件(3)，固定部件(3)与层板试验件(10)平面固定，使层板试验件(10)的平面平行于加载机构的加载方向。

2.根据权利要求1所述的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，其特征在于，导向部件(1)上设有观察口(12)，通过观察口(12)能够观察到层板试验件(10)的冲击部位。

3.根据权利要求1所述的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，其特征在于，所述导向部件(1)为两相互对称设置且截面成“П”型的导向单元(13)，两导向单元(13)通过调节螺杆(14)连接。

4.根据权利要求1所述的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，其特征在于，所述加载部件(2)为两沿着加载方向对称设置且具有T型槽的加载单元(21)，层板试验件(10)两端面设置于T型槽内，通过固定部件(3)与加载单元(21)固定。

5.根据权利要求4所述的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，其特征在于，固定部件(3)与加载单元(21)通过调节螺栓(22)固定，用于调节固定部件对层板试验件(10)的压紧力。

6.根据权利要求4所述的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，其特征在于，还包括传递单元(4)，所述传递单元(4)设置于加载单元(21)的T型槽内与层板试验件(10)接触，用于传递加载机构的加载力。

7.根据权利要求4所述的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，其特征在于，还包括滑轨单元(5)，滑块单元(5)设置于导向通道(11)内且位于导向单元(13)与加载单元(21)之间。

8.根据权利要求7所述的复合材料层板冲击后压缩疲劳试验装置，其特征在于，所述滑轨单元(5)的数量为8个，以4个为一组，分布于加载单元(21)周围。