CN108007768B - 一种纤维网或布片的轴拉试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维网或布片的轴拉试验装置及试验方法，包括上轴拉夹头和下轴拉夹头；上轴拉夹头顶部与拉力试验机的上拉头相连接，下轴拉夹头底部与拉力试验机的下拉头相连接；上轴拉夹头和下轴拉夹头均包括连接件、Y型传力杆件、钢轴和楔形夹具；Y型传力杆件包括一体设置的主干和两个杈枝，主干的尾端设置有与球形凹槽相铰接的铰球；钢轴的纵截面为半圆形，两个杈枝的尾端均与钢轴相连接；钢轴的中心设置有楔形凹槽，楔形夹具能插放至楔形凹槽中；楔形夹具包括两块相对设置的钢夹板，钢夹板相向的一侧均设置有凹凸齿状条纹。本发明能将纤维网或布片有效夹持和对中，结构简单、操作方便、方法可靠且测试准确度较高。

Description

一种纤维网或布片的轴拉试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及建筑用高性能纤维材料力学性能试验装置及试验方法，特别是一种纤维网或布片的轴拉试验装置及试验方法。
背景技术
近年来，随着材料工业的发展，一些具有高强度、高弹性模量、低密度等优异性能的纤维材料(如碳纤维、玄武岩纤维及芳纶纤维等)被广泛应用于国民经济各个领域。其中，高性能纤维布、网以及其增强的树脂基和水泥基等复合材料因具有轻质高强、耐腐蚀、施工方便及对环境影响小等优点，正逐渐应用于混凝土结构的加固、补强和新型结构体系中。在实际结构中，纤维网、布起增强筋作用，其抗拉力学性能是影响复合材料性能及加固补强效果的关键。
进行纤维网、布的抗拉强度测试时，要求纤维网与夹具在不发生相对滑移时被拉断，此时纤维束与夹具间的粘结力Fs应大于纤维束的极限拉力，即：
Fs≥nσfAf (1)
式中，n为纤维束中单股纤维粗纱的根数；σf为单股纤维粗纱的抗拉强度，单位MPa； Af为单股纤维粗纱的截面面积，单位mm2；Fs为纤维束与夹具间的粘结力，单位N。
纤维束与夹具间的粘结力Fs按如下式(2)进行计算：
Fs＝τuπdeql (2)
式中，τu为纤维束与夹具(含橡胶垫片)间的平均粘结强度，单位MPa；τu与夹具接触面间的摩擦力Ff成正比，Ff越大则τu越大；l为纤维束的锚固长度或夹持长度，单位mm； deq为单股纤维粗纱的等效直径，单位mm。
假设夹具提供的夹持力为FN，纤维束与夹具橡胶垫间的静摩擦系数为μ(接触面无凹凸齿状条纹的情况下μ＝0.6～0.9)。则摩擦力Ff与夹持力FN的关系可用下式表达：
Ff＝μFN (3)
令τu＝Ff/k，联合式(1)～(3)，可得粘结力Fs、夹持力FN与纤维抗拉强度σf的关系：
式中，k为摩擦力Ff与平均粘结强度τu的比例系数。
目前，关于纤维网、布的抗拉力学性能，生产厂家多按单根纤维或纤维粗纱的抗拉性能指标提供，因为单股(即n＝1时)纤维粗纱的截面面积很小，纤维拉断所需的拉力很小，根据公式(4)可知，所需要的夹持力FN就小，普通的夹具或者胶粘剂就可以提供足够的夹持力。然而，对于由多根(即n很大时)纤维粗纱组成的纤维网(布)片，由于纤维截面积会增大数倍，破坏时的拉力很大，因此所需夹持力就越大，用胶粘剂或一般的夹持装置则难以保证足够的夹持力，要想准确得到纤维网(布)片的抗拉强度，需开发专门的拉伸试验装置进行测试，由于此类装置目前较少，所以对于纤维网片(布)的抗拉性能生产厂家大多数不提供。但是，纤维在生产过程中由于材料缺陷会产生不均匀性，导致单根纤维粗纱的抗拉性能和由多根纤维粗纱组成的整体纤维网(布)片的抗拉性能存在一定的差异，而纤维网(布) 片的实际抗拉性能对于实际工程应用至关重要，因此需采用专门的试验装置和试验方法进行拉伸试验，以获得相对准确的抗拉性能。
在纤维网(布)片材的抗拉性能测试中，片材的有效夹持和对中与否是影响测试结果的关键环节，但目前对于这两个环节的控制尚无很理想的措施，所测出的片材抗拉力学性能往往离散性很大。为此，有必要针对纤维网、布片材的拉伸性能测试开发合适的装置及简便、可靠的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种纤维网或布片的轴拉试验装置，该纤维网或布片的轴拉试验装置能将纤维网或布片有效夹持和对中，结构简单、操作方便、方法可靠且测试准确度较高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种纤维网或布片的轴拉试验装置，包括上轴拉夹头和下轴拉夹头；上轴拉夹头顶部与拉力试验机的上拉头相连接，下轴拉夹头底部与拉力试验机的下拉头相连接。
上轴拉夹头和下轴拉夹头均包括连接件、Y型传力杆件、钢轴和楔形夹具。
连接件的一端与上拉头或下拉头相连接，连接件的另一端设置有球形凹槽。
Y型传力杆件包括一体设置的主干和两个杈枝，主干的尾端设置有与球形凹槽相铰接的铰球。
钢轴的纵截面为半圆形，两个杈枝的尾端均与钢轴相连接；钢轴的中心设置有楔形凹槽，楔形夹具能插放至楔形凹槽中。
楔形夹具包括两块相对设置的钢夹板，钢夹板相向的一侧均设置有凹凸齿状条纹。
楔形凹槽的一侧设置有水平刻度尺一，楔形夹具上设置有水平刻度尺二。
钢轴上设置有能开合的辅助锁扣，该辅助锁扣能将位于楔形凹槽内的楔形夹具包覆锁紧在内。
连接件通过销钉与上拉头或下拉头相连接。
钢轴的两端均设置有传力杆安装孔，Y型传力杆件的两个杈枝均与对应的传力杆安装孔螺纹连接。
凹凸齿状条纹包括相互交错设置的凸齿和凹槽，凸齿的纵向截面为等腰梯形，凸齿的齿顶为等腰梯形的上底边，凸齿的齿根为等腰梯形的下底边。
假设凸齿的齿顶宽度为a，凸齿的齿根宽度为b，凸齿的全高为h，凸齿的两条斜边与水平方向的夹角为β，纤维网或布片的锚固长度的提高系数为
Figure BDA0001499772300000031
则满足如下计算公式：
Figure BDA0001499772300000032
式(5)中，0<β<π/2，
Figure BDA0001499772300000033
楔形夹具朝向楔形凹槽的一侧为三角形。
本发明还提供一种纤维网或布片的轴拉试验方法，该纤维网或布片的轴拉试验方法能将纤维网或布片有效夹持和对中，结构简单、操作方便、方法可靠且测试准确度较高。
一种纤维网或布片的轴拉试验方法，包括如下步骤。
步骤1，连接件安装：将连接件的一端分别与拉力试验机的拉头相连接，连接件的球形凹槽内放置铰接。
步骤2，Y型传力杆件安装：将Y型传力杆件的主干的尾端与步骤一中的铰接相连接，将Y型传力杆件的两个杈枝端分别从对应钢轴的传力杆安装孔中穿过并固定。
步骤3，纤维网或布片测试件装夹：先在楔形夹具的两块钢夹板的内表面各垫一层橡胶垫，接着将裁剪好的纤维网或布片测试件的两端分别从两根钢轴的楔形凹槽中穿过，再接着将纤维网或布片测试件的穿出末端置于对应的楔形夹具的两块钢夹板间，并使纤维网或布片测试件处于平直状态，然后闭合两块钢夹板，使纤维网或布片测试件处于夹紧状态。
步骤4，楔形夹具装夹：将步骤3中夹持有纤维网或布片测试件的楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽内，插入时，使楔形夹具的中心线与钢轴内楔形凹槽的中心线相重合。
步骤5，轴拉试验：拉力试验机开启并进行加载，试验过程中，铰球能自动旋转调整位置，使纤维网或布片测试件处于对中状态；同时，纤维网或布片测试件的荷载-位移曲线通过拉力试验机上安装的荷载和位移传感器进行量测与采集。
步骤4中，楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽时，通过将楔形夹具上的水平刻度尺二与钢轴上的水平刻度尺一相比对的方式，使得楔形夹具的中心线与钢轴内楔形凹槽的中心线相重合；楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽完成后，采用辅助锁扣将楔形夹具锁合在楔形凹槽内。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明能将纤维网或布片有效夹持，实现纤维网或布片抗拉性能的有效测量。
(2)楔形夹具内表面设置的凹凸齿状条纹，有极强的咬合力，从而能够保证楔形夹具对纤维网或布片的有效夹持。另外，楔形夹具和楔形凹槽中的楔形设置，能在拉伸过程逐步加强楔形夹具对纤维网或布片的夹持力，从而解决了纤维网或布片拉伸性能试验中的关键技术之一，也即轴拉试验过程中夹具对片材的有效夹持。
(3)上述连接件的球形凹槽也即铰球的设置，球铰能自由转动，从而保证了纤维网或布片在轴向拉力作用下自动对中。
(4)传统的纤维网或布片拉伸性能试验中，为保证夹具对纤维网或布片的有效约束，通常需要在夹具中使用价格高昂的树脂胶粘结剂或固化剂以固定纤维网或布片，这会造成试验成本过高、材料浪费和测试准备时间过长等不利因素。而本试验装置采用的楔形夹具，不需要采用粘结剂和固化剂就可以对纤维网或布片进行有效夹持，节约成本的同时提高了装置的可操作性和重复利用率。
(5)水平刻度尺的设置，能辅助纤维网或布片的安装定位和轴拉对中。另外，辅助锁扣能防止试验过程中，因纤维网或布片拉断导致的夹具等坠落问题。
综上所述，本发明结构合理、连接可靠、操作简单、可重复利用，能有效测定纤维网或布片的轴向拉伸性能，可为高性能纤维材料的力学性能测试提供更为可靠的试验装置和技术支撑。
附图说明
图1显示了本发明一种纤维网或布片的轴拉试验装置的结构示意图。
图2显示了球铰示意图。
图3显示了Y型传力杆件的示意图。
图4显示了楔形夹具的立体图。
图5显示了楔形夹具的侧视图。
图6显示了钢轴的立体图。
图7显示了钢轴的剖视图。
图8显示了图5中圆圈A区内凸齿的分析示意图。
图9显示了楔形夹具与楔形凹槽的受力分析示意图。
其中有：
10.上轴拉夹头；
11.连接件；111.销钉；112.球形凹槽；12.Y型传力杆件；121.主干；122.铰球；123.杈枝；
13.钢轴；131.传力杆安装孔；132.楔形凹槽；133.水平刻度尺一；134.辅助锁扣；
14.楔形夹具；141.钢夹板；142.凹凸齿状条纹；143.水平刻度尺二；144.凸齿；145.凹槽；
20.下轴拉头；
31.上拉头；32.下拉头；
40.纤维网或布片测试件。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种纤维网或布片的轴拉试验装置，包括上轴拉夹头10和下轴拉夹头20。
上轴拉夹头顶部与拉力试验机的上拉头31相连接，下轴拉夹头底部与拉力试验机的下拉头32相连接。
上轴拉夹头和下轴拉夹头均包括连接件11、Y型传力杆件12、钢轴13和楔形夹具14。
如图2所示，连接件的一端优选通过销钉111与上拉头或下拉头相连接，连接件的另一端设置有球形凹槽112。
Y型传力杆件包括一体设置的主干121和两个杈枝123，主干的尾端设置有与球形凹槽相铰接的铰球122。
钢轴的纵截面为半圆形，两个杈枝的尾端均与钢轴相连接。钢轴的两端均优选设置有传力杆安装孔131，Y型传力杆件的两个杈枝均优选与对应的传力杆安装孔螺纹连接。
钢轴的中心设置有楔形凹槽132，楔形夹具能插放至楔形凹槽中。
钢轴上还优选设置有能开合的辅助锁扣134，该辅助锁扣能将位于楔形凹槽内的楔形夹具包覆锁紧在内。
楔形夹具包括两块相对设置的钢夹板141，钢夹板相向的一侧均设置有凹凸齿状条纹 142。
上述凹凸齿状条纹的设置，一方面增加了粗糙度，从而摩擦系数μ′(μ′>μ)大大增加；而且凹凸齿相啮合还会产生机械咬合力和销栓力。因此，由式(3)和式(4)可知，粘结力Fs会有较大提高，进一步确保式(1)成立，即纤维网在拉断过程中夹持端不出现滑移。此外，凹凸齿状条纹还可以增加纤维与夹板的锚固长度。
如图8所示，凹凸齿状条纹优选包括相互交错设置的凸齿144和凹槽145，凸齿的纵向截面为等腰梯形，凸齿的齿顶为等腰梯形的上底边，凸齿的齿根为等腰梯形的下底边。
假设凸齿的齿顶宽度为a，凸齿的齿根宽度为b，凸齿的全高为h，凸齿的两条斜边与水平方向的夹角为β，纤维网或布片的锚固长度的提高系数为
Figure BDA0001499772300000061
则满足如下计算公式：
Figure BDA0001499772300000062
式(5)中，0<β<π/2，
Figure BDA0001499772300000063
则由式(4)可知，粘结力Fs会增大
Figure BDA0001499772300000064
倍，可进一步确保在纤维网拉伸过程中不出现端部滑移。
进一步，如图9所示，上述楔形夹具朝向楔形凹槽的一侧优选为三角形。楔形夹具的侧向挤压力可在拉伸过程中逐步增强。设拉力为F，在受拉过程中，楔形夹具会受到楔形凹槽的约束，在两斜面上产生垂直该面的挤压力FN′为：
由式(6)可知，FN′与F成正比，挤压力FN′随拉力F的增大而增大，拉力F≤nσfAf。则楔形夹具的总夹持力FN″可按下式计算
FN″＝FN+FN′ (7)
由式(4)可知，当夹持力进一步增大时，则粘结力Fs增大，式(2)中τu进一步增大。
因此，考虑上述因素对粘结力Fs的增大作用，同时引入增大系数ψ(ψ>1)并考虑夹具凹凸齿状条纹产生的械咬合力和销栓力对平均粘结强度τu的增大作用，则公式(5)中的粘结力Fs可修正为Fs′，可按下式计算：
Figure BDA0001499772300000066
综上所述，粘结力Fs′远大于Fs，可确保式(1)满足。即本发明装置的夹持机构能提供足够的粘结力，保证纤维网在拉伸过程中不会产生滑移和拔出现象。能有效测量由多根纤维束组成的纤维网或布片的抗拉性能。
两块上述钢夹板在上边缘优选通过螺栓固定。纤维网或布片在放置于两块钢夹板间前，应先在两块钢夹板的内表面上各垫一层塑料薄膜垫，以减少试验过程中钢夹板直接接触纤维束所产生的损伤。
进一步，楔形凹槽的一侧设置有水平刻度尺一133，楔形夹具上设置有水平刻度尺二143。水平刻度尺的设置，能保证楔形夹具的中心线与钢轴的楔形凹槽中心线相重合。
一种纤维网或布片的轴拉试验方法，包括如下步骤。
步骤1，连接件安装：将连接件的一端分别与拉力试验机的拉头相连接，连接件的球形凹槽内放置铰接。
步骤2，Y型传力杆件安装：将Y型传力杆件的主干的尾端与步骤一中的铰接相连接，将Y型传力杆件的两个杈枝端分别从对应钢轴的传力杆安装孔中穿过并固定。
步骤3，纤维网或布片测试件装夹：先在楔形夹具的两块钢夹板的内表面各垫一层橡胶垫，接着将裁剪好的纤维网或布片测试件的两端分别从两根钢轴的楔形凹槽中穿过，再接着将纤维网或布片测试件的穿出末端置于对应的楔形夹具的两块钢夹板间，并使纤维网或布片测试件处于平直状态，然后闭合两块钢夹板，使纤维网或布片测试件处于夹紧状态。
步骤4，楔形夹具装夹：将步骤3中夹持有纤维网或布片测试件的楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽内，插入时，优选通过将楔形夹具上的水平刻度尺二与钢轴上的水平刻度尺一相比对的方式，使楔形夹具的中心线与钢轴内楔形凹槽的中心线相重合。楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽完成后，优选采用辅助锁扣将楔形夹具锁合在楔形凹槽内。
步骤5，轴拉试验：拉力试验机开启并进行加载，试验过程中，铰球能自动旋转调整位置，使纤维网或布片测试件处于对中状态；同时，纤维网或布片测试件的荷载-位移曲线通过拉力试验机上安装的荷载和位移传感器进行量测与采集。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种纤维网或布片的轴拉试验装置，其特征在于：包括上轴拉夹头和下轴拉夹头；上轴拉夹头顶部与拉力试验机的上拉头相连接，下轴拉夹头底部与拉力试验机的下拉头相连接；
上轴拉夹头和下轴拉夹头均包括连接件、Y型传力杆件、钢轴和楔形夹具；
连接件的一端与上拉头或下拉头相连接，连接件的另一端设置有球形凹槽；
Y型传力杆件包括一体设置的主干和两个杈枝，主干的尾端设置有与球形凹槽相铰接的铰球；
钢轴的纵截面为半圆形，两个杈枝的尾端均与钢轴相连接；钢轴的中心设置有楔形凹槽，楔形夹具能插放至楔形凹槽中；
楔形夹具包括两块相对设置的钢夹板，钢夹板相向的一侧均设置有凹凸齿状条纹；凹凸齿状条纹包括相互交错设置的凸齿和凹槽，凸齿的纵向截面为等腰梯形，凸齿的齿顶为等腰梯形的上底边，凸齿的齿根为等腰梯形的下底边；
楔形夹具朝向楔形凹槽的一侧为三角形；
轴拉过程中，纤维网或布片与楔形夹具之间的粘接力Fs′表示如下：
Figure FDA0002167586860000011
式(8)中，ψ为增大系数，且ψ>1；μ′为纤维网或布片与楔形夹具间的静摩擦系数；FN″为轴拉过程中楔形夹具的总夹持力；deq为单根纤维网或布片的等效直径，单位mm；l为纤维网或布片的锚固长度或夹持长度，单位mm；
Figure FDA0002167586860000012
为纤维网或布片的锚固长度的提高系数，且
Figure FDA0002167586860000013
k为楔形夹具接触面间的摩擦力与平均粘结强度τu的比例系数；
FN″和
Figure FDA0002167586860000014
满足如下计算公式：
FN″＝FN+FN′ (7)
Figure FDA0002167586860000015
Figure FDA0002167586860000021
式(5)～(7)中，FN为轴拉前楔形夹具提供的夹持力；FN′为受拉过程中，楔形夹具会受到楔形凹槽的约束，产生的垂直于斜面的挤压力；F为拉力；α为楔形夹具两斜面之间的夹角；a为凸齿的齿顶宽度，b为凸齿的齿根宽度，β为凸齿的两条斜边与水平方向的夹角；且0<β<π/2，
Figure FDA0002167586860000022
而
Figure FDA0002167586860000023
式(4)中，n为纤维束中单股纤维网或布片的根数；σf为单股纤维网或布片的抗拉强度，单位MPa；Af为单股纤维网或布片的截面面积，单位mm2；Fs为纤维网或布片与楔形夹具在不发生相对滑移被拉断时，纤维网或布片与楔形夹具间的粘结力，单位N；故Fs′>>Fs，在纤维网或布片被拉伸的过程中，纤维网或布片与楔形夹具之间不会产生滑移和拔出现象。
2.根据权利要求1所述的纤维网或布片的轴拉试验装置，其特征在于：楔形凹槽的一侧设置有水平刻度尺一，楔形夹具上设置有水平刻度尺二。
3.根据权利要求1所述的纤维网或布片的轴拉试验装置，其特征在于：钢轴上设置有能开合的辅助锁扣，该辅助锁扣能将位于楔形凹槽内的楔形夹具包覆锁紧在内。
4.根据权利要求1所述的纤维网或布片的轴拉试验装置，其特征在于：连接件通过销钉与上拉头或下拉头相连接。
5.根据权利要求1所述的纤维网或布片的轴拉试验装置，其特征在于：钢轴的两端均设置有传力杆安装孔，Y型传力杆件的两个杈枝均与对应的传力杆安装孔螺纹连接。
6.一种纤维网或布片的轴拉试验方法，基于权利要求1-5任一项所述的纤维网或布片的轴拉试验装置，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，连接件安装：将连接件的一端分别与拉力试验机的拉头相连接，连接件的球形凹槽内放置铰接；
步骤2，Y型传力杆件安装：将Y型传力杆件的主干的尾端与步骤一中的铰接相连接，将Y型传力杆件的两个杈枝端分别从对应钢轴的传力杆安装孔中穿过并固定；
步骤3，纤维网或布片测试件装夹：先在楔形夹具的两块钢夹板的内表面各垫一层橡胶垫，接着将裁剪好的纤维网或布片测试件的两端分别从两根钢轴的楔形凹槽中穿过，再接着将纤维网或布片测试件的穿出末端置于对应的楔形夹具的两块钢夹板间，并使纤维网或布片测试件处于平直状态，然后闭合两块钢夹板，使纤维网或布片测试件处于夹紧状态；
步骤4，楔形夹具装夹：将步骤3中夹持有纤维网或布片测试件的楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽内，插入时，使楔形夹具的中心线与钢轴内楔形凹槽的中心线相重合；
步骤5，轴拉试验：拉力试验机开启并进行加载，试验过程中，铰球能自动旋转调整位置，使纤维网或布片测试件处于对中状态；同时，纤维网或布片测试件的荷载-位移曲线通过拉力试验机上安装的荷载和位移传感器进行量测与采集。
7.根据权利要求6所述的纤维网或布片的轴拉试验方法，其特征在于：步骤4中，楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽时，通过将楔形夹具上的水平刻度尺二与钢轴上的水平刻度尺一相比对的方式，使得楔形夹具的中心线与钢轴内楔形凹槽的中心线相重合；楔形夹具插入钢轴的楔形凹槽完成后，采用辅助锁扣将楔形夹具锁合在楔形凹槽内。
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