CN107884266B - 用于测试复合材料ω形构件拉脱性能的夹具及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具及测试方法，所述夹具由六个夹持部组成，第一夹持部、第二夹持部分别与第四夹持部配合，固定夹持Ω形构件的蒙皮两侧；第三夹持部与第四夹持部配合，固定夹持Ω形构件的空腔内蒙皮；第五夹持部与第六夹持部配合，固定夹持Ω形构件的筋条顶部；其中第四夹持部设有凹槽，测试时Ω形构件蒙皮及与蒙皮相连的筋条固定在凹槽内。本发明采用Ω形构件不同部位分别夹持紧固的方式，确保构件在夹具内不打滑，并且尽量减少构件形变，进行实验时外部载荷与测试构件的层间界面垂直，有利于测试结果的精度，且本装置加工简单，易操作，实验重复性好。

Description

用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具及测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具及测试方法，属于复合材料检测领域。

背景技术

当前，纤维增强树脂基复合材料构件在航空航天领域得到了广泛应用，其应用范围也由以往的非承力构件逐渐向主承力构件过渡。复合材料Ω形构件，由于其良好的结构稳定性和传递轴向载荷能力，在飞行器加筋壁板中更是被普遍采用。尤其在筒状机身结构部位，复合材料Ω形构件的使用量已接近飞行器中复合材料结构总量的80％，成为飞行器用复合材料构件的典型结构之一。

复合材料Ω形构件主要由上部Ω形筋条和下部蒙皮两部分组成，常采用共固化技术成型。工程中，一般通过层间界面拉脱性能测试来评价复合材料构件层间共固化质量的优劣。现有的力学性能测试技术往往可以对如平板件此类简单的结构进行测试，而对于复合材料Ω形构件这种具有复杂结构变截面、变厚度、带拐角的结构，在进行力学性能测试时需要保证其各部位不发生滑动，且要确保其受载荷方向与筋条/蒙皮之间的层间界面相垂直，具有一定难度。目前，还未有相关测试夹具及技术来辅助复合材料Ω形构件拉脱性能测试的开展。因此，亟需发展一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具及测试方法，来解决复合材料Ω形构件不易稳定夹持导致的层间界面拉脱性能难以精确测试的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是以Ω形构件的特殊结构为基础，获得一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具及测试方法。

本发明的第一个目的在于提供一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具，Ω形构件具有切面为Ω形的筋条和与筋条相连的蒙皮，筋条与蒙皮之间固定连接形成一个空腔，测试时切取一段Ω形构件进行测试。夹具由六个夹持部组成，第一夹持部、第二夹持部分别与第四夹持部配合，固定夹持Ω形构件的蒙皮两侧；第三夹持部与第四夹持部配合，固定夹持Ω形构件的空腔内蒙皮；第五夹持部与第六夹持部配合，固定夹持Ω形构件的筋条顶部；其中第四夹持部设有凹槽，测试时Ω形构件蒙皮及与蒙皮相连的筋条固定在凹槽内。第一夹持部与第二夹持部形状结构完全相同，第三夹持部在结构上与第一第二夹持部类似，但尺寸略小，第四夹持部沿长边方向设有凹槽，凹槽的剖面形状为“U”形。

第四夹持部起到整个夹具底板的作用，测试时将待测Ω形构件的蒙皮固定在第四夹持部的凹槽内，本夹具的特点在于，在测试拉脱性能的过程中，夹持部之间两两配合夹持待测Ω形构件，保证了在测试过程中Ω形构件的最大程度固定，并且不会由于拉力过大产生形变影响检测结果，使得检测结果更加准确。测试时，第一夹持部与第四夹持部配合固定Ω形构件的一侧蒙皮，第二夹持部与第四夹持部配合固定Ω形构件的另一侧蒙皮，第五夹持部与第六夹持部配合固定Ω形构件的筋条顶部，这样的设计不仅固定Ω形构件，更保证了Ω形构件的均匀受力，且根据Ω形构件的结构设计，夹具结构简单有效，测试时便于拆装，使用方便。

凹槽的宽度大于等于Ω形构件的宽度，便于将Ω形构件卡合在凹槽内，凹槽深度大于等于Ω形构件的蒙皮厚度，当凹槽深度大于Ω形构件蒙皮厚度时，测试时用垫片弥补厚度差，当凹槽宽度大于Ω形构件宽度时，可在两侧加入条形固定件弥补宽度差，对Ω形构件进行固定，使其不发生相对位移。同时，垫片和条形固定件还可以起到加强固定效果，使待测的Ω形构件固定时具有更加稳定的效果。

优选地，为了使夹具与拉脱性能检测设备(一般为拉伸机)更好的兼容使用，本发明中的夹具还包括接头，第一接头设于第四夹持部的底部中心位置，第二接头设于第六夹持部的顶部，两个接头的端面位于同一平面，第一接头与第二接头在测试时被拉伸机的夹头夹紧固定，然后带动整个夹具沿着夹头的收缩方向发生缓慢位移。

优选的，夹具各夹持部采用螺钉连接的方式完成固定连接，因此对应地在各夹持部上开设有螺钉孔。螺钉连接只是本发明中的一种优选的实施方式，任何可以实现两两固定的其他连接方式，如卡合或铆接等，均可在本发明中使用，螺钉连接不应认为是对本发明的限制。

更优选地，螺钉孔数量根据固定强度的需要设计，只要可以实现配合固定即可。本发明中优选的固定方式为角固定，也就是说在个夹持部的四角设有螺钉孔，第四夹持部的螺钉孔与第一、第二及第三夹持部的螺钉孔一一对应，第五夹持部的螺钉孔与第六夹持部的螺钉孔一一对应。第三夹持部由于尺寸较小，只需在两侧设置两个螺钉孔即可，第四夹持部配合第一第二第三夹持部的螺钉孔数量，在凹槽两侧开有螺钉孔，每侧五个。

优选地，为了使夹持更稳定，第五夹持部整体呈“工”字型，两端为固定部，中间为连接部，中间连接部的长度不小于待测Ω形构件筋条的宽度，“工”字型可以将待测Ω形构件筋条完全嵌在第五夹持部内，第五夹持部与第六夹持部配合固定后，筋条被完全固定在第五第六夹持部内，不会发生位移，保证了测试结果的准确性。

更优选地，第五夹持部的两端固定部和中间连接部之间有一定的厚度差，两端固定部的厚度大于中间连接部的厚度，厚度差保证了Ω形构件筋条可以完全嵌合在第五夹持部内，因此，该厚度大于等于Ω形构件筋条的顶部材料厚度。当第五夹持部的厚度差大于Ω形构件筋条的顶部材料厚度时，可增加垫片保证固定效果。

Ω形构件由于使用的环境特殊，一般多为纤维/树脂复合材料，如碳纤维/环氧树脂复合材料等。本发明中的夹具对材料没有限制，只要能满足测试要求即可，但各夹持部、凹槽内表面及凸台表面均打磨光滑。

本发明的另一个目的在于提供一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的测试方法，该测试方法采用上述任一种优选实施方式的夹具进行测试，该测试方法具体为：

S1：截取一段Ω形构件，将蒙皮置于第四夹持部上表面的凹槽内，并尽量居中放置；

S2：分别用第一、二、三夹持部覆盖好Ω形构件蒙皮的上表面，将金属垫片置于Ω形构件的蒙皮上表面，并采用紧固螺钉将构件的蒙皮与相应夹持部进行紧固，并保证金属垫片正好完全处于凹槽内且置于蒙皮的上表面上，最后检查夹具确保第一、二夹持部未夹持到Ω形筋条的两侧端部；

S3：类似地，通过第五、六夹持部夹持Ω形构件的筋条顶部，保证筋条顶部正好置于第五夹持部的中间连接部内，通过紧固螺钉将筋条顶部约束在第五、六夹持部中间，并在Ω形筋条内表面与第五夹持部之间增加金属垫片，防止夹持过程打滑，通过紧固螺钉将Ω形筋条顶部约束在第五、六夹持部中间；

S4：分别将第六夹持部接头、第四夹持部接头与拉伸机的上、下夹头进行连接，在拉伸机夹头的移动过程中，复合材料Ω形构件构件的Ω形筋条与蒙皮产生层间破坏并渐渐分离，记录下最大载荷，计算复合材料Ω形构件的层间界面的拉脱强度。

优选地，步骤S4中，第六夹持部设有的接头和第四夹持部设有的接头分别与拉伸机的上、下夹头进行连接，拉伸机夹头的移动速度为1mm/min。

拉脱强度的计算以完全脱开时的点计算，Ω形构件在制作过程中工艺不同，可能出现曲线不光滑或者数值起伏均属于正常现象，不需要考虑在计算过程内。

与现有技术相比，本发明根据Ω形构件的结构对应设置夹持装置，结构简单，采用Ω形构件不同部位分别夹持紧固的方式，可以较好的确保构件在夹具内不打滑，并且尽量减少构件形变，进行实验时外部载荷与测试构件的层间界面垂直，有利于测试结果的精度。且本装置加工简单，易操作，实验重复性好，解决了实际工程实验中复合材料Ω形构件层间界面力学性能测试的难题。

附图说明

图1是本发明提供的夹具的结构示意图。

图2为本发明提供的夹具第一、二夹持部示意图。

图3为本发明提供的夹具第三夹持部示意图。

图4为本发明提供的夹具第四夹持部示意图。

图5为本发明提供的夹具第五夹持部示意图。

图6为本发明提供的夹具第六夹持部示意图。

图7为复合材料Ω形构件示意图。

图8为碳纤维/环氧树脂复合材料Ω形构件的层间界面拉脱曲线。

附图标记

1、第一夹持部，2、第二夹持部，3、第三夹持部，4、第四夹持部，5、第五夹持部，6、第六夹持部，7、紧固螺钉，8、复合材料Ω形构件，9、螺孔，10、凹槽，11、第一接头， 12、第二接头，13、凸台，14、Ω形构件筋条，15、Ω形构件蒙皮。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明提供的用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具及测试方法作进一步详细、完整地说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1～6所示，本发明中的Ω形构件8具有切面为Ω形的筋条14和与筋条14相连的蒙皮15，筋条14与蒙皮15之间固定连接形成一个空腔，用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具由六个夹持部组成，第一夹持部1、第二夹持部2分别与第四夹持部4配合，固定夹持Ω形构件的蒙皮15两侧；第三夹持部3与第四夹持部4配合，固定夹持Ω形构件的空腔内蒙皮；第五夹持部5与第六夹持部6配合，固定夹持Ω形构件的筋条14顶部；其中第四夹持部4设有凹槽，测试时Ω形构件蒙皮及与蒙皮相连的筋条固定在凹槽内。第一夹持部1与第二夹持部2形状结构完全相同，第一夹持部1和第二夹持部2均开有四个紧固螺钉孔9，第三夹持部3在结构上与第一第二夹持部类似，但尺寸略小，第三夹持部上也开有两个紧固螺钉孔9，第四夹持部4沿长边方向设有凹槽10，凹槽10的剖面形状为“U”形，凹槽10的开槽厚度与Ω形构件的蒙皮厚度一致，凹槽两侧各开有五个螺钉孔9，第四夹持部4底部中心位置上还设有第一接头11，第一接头11和凹槽10分布在第四夹持部的两个相对面上，第五夹持部5整体呈“工”字型，两端为固定部，中间为连接部，第五夹持部5两端固定部的厚度大于中间连接部的厚度，厚度差不小于Ω形构件的筋条顶部厚度，中间连接部的长度等于待测Ω形构件筋条的宽度，第五夹持部5上开有螺钉孔9，第六夹持部6上设有第二接头12，开有与第五夹持部螺钉孔位置对应的螺钉孔，两个接头11和 12的端面位于同一平面。

如图7所示，Ω形构件包括筋条14和蒙皮15两部分，通过热压共固化成型方法形成一体，筋条和蒙皮通常选用碳纤维/环氧树脂等复合材料制备，筋条和蒙皮围成一个封闭的空腔。在外部载荷作用下进行蒙皮/筋条界面的拉脱性能测试时，Ω形构件会产生较大弹性变形，使测试精度难以保证。因此，利用本发明中的夹具进行测试，通过对筋条和蒙皮进行固定和夹持来限制构件较大弹性变形，然后进行拉脱实验。固定时，Ω形构件卡合在第四夹持部的凹槽10内，凹槽10的宽度与Ω形构件的宽度一致。第一夹持部1和第二夹持部2分别将蒙皮15的两侧固定于第四夹持部，固定式采用螺钉7固定，选择与蒙皮厚度一致的垫圈垫在第一夹持部或第二夹持部与第四夹持部之间，以弥补蒙皮厚度带来的固定不稳的问题。第三夹持部固定被筋条围起的蒙皮，第三夹持部穿过围成的空腔，将蒙皮固定于第四夹持部上，固定方式与第一夹持部相同。

第五夹持部5与第六夹持部6配合固定筋条，第五夹持部5穿过空腔，露出“工”字型的两端固定部，第五夹持部的两端固定部和中间连接部之间有一定的厚度差，两端固定部的厚度大于中间连接部的厚度，厚度差与Ω形构件筋条顶端材料厚度一致，第六夹持部与第五夹持部将Ω形构件的筋条夹在中间，通过螺钉固定。第四夹持部和第六夹持部具有接头，接头用于在实际测试的过程中与拉伸机夹头相连接，固定完毕后的待测状态如图1所示，其中阴影为固定后侧视可见的Ω形构件8的一部分，其余Ω形构件被夹持固定或镶嵌在凹槽内，第一夹持部1和第二夹持部2固定蒙皮的两侧于第四夹持部，第三夹持部固定空腔内蒙皮于第四夹持部，第五夹持部5和第六夹持部6配合固定筋条顶部，固定方式均为螺钉固定。上述各夹持部的制备材料不限，但各夹持部、凹槽内表面及凸台表面均打磨光滑。

固定后，实验过程如下：

S1：截取一段Ω形构件，将蒙皮置于第四夹持部上表面的凹槽内，并尽量居中放置；

S2：分别用第一、二、三夹持部覆盖好Ω形构件蒙皮的上表面，将金属垫片置于Ω形构件的蒙皮上表面，并采用紧固螺钉将构件的蒙皮与相应夹持部进行紧固，并保证金属垫片正好完全处于凹槽内且置于蒙皮的上表面上，最后检查夹具确保第一、二夹持部未夹持到Ω形筋条的两侧端部；

S3：类似地，通过第五、六夹持部夹持Ω形构件的筋条顶部，保证筋条顶部正好置于第五夹持部的中间连接部内，通过紧固螺钉将筋条顶部约束在第五、六夹持部中间，并在Ω形筋条内表面与第五夹持部之间增加金属垫片，防止夹持过程打滑，通过紧固螺钉将Ω形筋条顶部约束在第五、六夹持部中间；

S4：分别将第六夹持部接头、第四夹持部接头与拉伸机的上、下夹头进行连接，在拉伸机夹头的移动过程中，复合材料Ω形构件构件的Ω形筋条与蒙皮产生层间破坏并渐渐分离，记录下最大载荷，计算复合材料Ω形构件的层间界面的拉脱强度。

在本实施例中，设置拉伸机夹头的移动速度为1mm/min，测定出Ω形筋条与蒙皮共固化的接触长宽分别为a＝30mm和b＝20mm。随着拉伸机夹头的移动Ω形筋条与蒙皮渐渐发生脱离，如图8所示，记录下此过程的最大载荷为F_max＝3350N，由σ_t＝F_max/(2ab)，可计算出碳纤维/环氧树脂复合材料Ω形构件筋条和蒙皮层间界面的拉脱强度为2.79MPa。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具，Ω形构件(8)具有切面为Ω形的筋条(14)和与筋条(14)相连的蒙皮(15)，筋条(14)与蒙皮(15)之间固定连接形成一个空腔，其特征在于：所述夹具由六个夹持部组成，第一夹持部(1)、第二夹持部(2)分别与第四夹持部(4)配合，固定夹持Ω形构件的蒙皮两侧；第三夹持部(3)与第四夹持部(4)配合，固定夹持Ω形构件的空腔内蒙皮；第五夹持部(5)与第六夹持部(6)配合，固定夹持Ω形构件的筋条顶部；其中第四夹持部(4)设有凹槽，测试时Ω形构件蒙皮及与蒙皮相连的筋条固定在凹槽内；夹具具有与拉脱性能检测设备连接的接头，接头为两个，第一接头(11)设于第四夹持部(4)的底面，第二接头(12)设于第六夹持部(6)的顶面，两个接头的端面位于同一平面，各夹持部之间通过螺钉固定连接，夹持部设有螺钉孔，第四夹持部(4)的螺钉孔与第一、第二及第三夹持部的螺钉孔一一对应，第五夹持部(5)的螺钉孔与第六夹持部(6)的螺钉孔一一对应。

2.根据权利要求1所述的用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具，其特征在于：第五夹持部(5)呈“工”字型，两端为固定部，中间为连接部，“工”字型的中间连接部穿过Ω形构件的空腔，两端固定部伸出空腔与第六夹持部(6)固定连接。

3.根据权利要求2所述的用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具，其特征在于：第五夹持部(5)两端固定部的厚度大于中间连接部的厚度，厚度差不小于Ω形构件的筋条顶部厚度。

4.根据权利要求1所述的用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具，其特征在于：第四夹持部(4)的凹槽深度不小于待测Ω形构件的蒙皮(15)厚度。

5.根据权利要求1所述的用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的夹具，其特征在于：第四夹持部(4)的凹槽宽度不小于待测Ω形构件的宽度。

6.一种用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的测试方法，其特征在于，所述测试方法采用权利要求1～5任一项所述的夹具进行测试，所述测试方法包括如下步骤：

S1：取一段复合材料Ω形构件(8)，将蒙皮(15)置于第四夹持部(4)上表面的凹槽内，居中放置；

S2：分别用第一夹持部(1)、第二夹持部(2)、第三夹持部(3)覆盖好Ω形构件蒙皮(15)的上表面，并采用螺钉将构件的蒙皮(15)与相应夹持部进行紧固，检查夹具确保第一、二夹持部未夹持到筋条(14)的两侧端部；

S3：通过第五夹持部(5)、第六夹持部(6)夹持Ω形构件的筋条(14)顶部，保证筋条(14)顶部正好置于第五夹持部(5)的中间连接部内，通过螺钉将筋条顶部约束在第五夹持部(5)、第六夹持部(6)中间；

S4：分别将第六夹持部的第二接头(12)、第四夹持部的第一接头(11)与拉伸机进行连接，在拉伸机夹头的移动过程中，复合材料Ω形构件的Ω形筋条(14)与蒙皮(15)产生层间破坏并渐渐分离，记录下最大载荷，计算复合材料Ω形构件的层间界面的拉脱强度。

7.根据权利要求6所述的用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的测试方法，其特征在于：所述步骤S4中，第六夹持部设有的第二接头(12)和第四夹持部设有的第一接头(11)分别与拉伸机的上、下夹头进行连接，拉伸机夹头的移动速度为1mm/min。

8.根据权利要求6所述的用于测试复合材料Ω形构件拉脱性能的测试方法，其特征在于：所述步骤S2中，第一、二、三夹持部与蒙皮之间设有垫片，垫片置于蒙皮上并完全处于凹槽内。

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