CN108007769B - 一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具及方法，包括上拉伸单元和下拉伸单元两部分；所述拉伸单元包括U形夹具、垫片、紧固螺钉、挡板、和预紧螺钉。本发明的有益效果是：该夹具可以使试样在加热过程中自由膨胀，消除热应力的影响，从而提高试验结果的准确性；该夹具与试样的连接采用圆弧端面加载的悬挂方式，试样加载端受力较为均匀，避免了试样受拉时加载端首先破坏；采用垫片对平板试样进行定位，保证平板试样夹持的稳定性，降低了试验失败几率；采用的试样为等厚的板状试样，加工方便，经济性好；夹具的材料选用高强度高耐温材料。该夹具还可适用于拉伸强度较弱的高温材料拉伸试验。

Description

一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具及其试验方法
技术领域
本发明涉及一种用于极低模量平板复合材料高温拉伸试验的夹具及其试验方法，属于复合材料试验装置技术领域。
背景技术
材料高温拉伸力学性能试验测试设备主要将已有的试验机主机与高温环境炉对接，将拉伸试样安装在高温环境炉里面，然后通过高温环境炉控制系统对试样进行加热，通过试验机主机对试样进行加载，从而获得材料在高温环境下的拉伸模量和拉伸强度等断裂力学性能。极低模量材料(如泡沫材料)拉伸模量低(低于1GPa)，拉伸强度低(低于1MPa)，材料的特殊力学性能和高温试验环境对极低模量材料拉伸试样用夹具提出了更高的要求，为保护试样在升温过程不发生破坏，并减小高温环境带来热应力的影响，高温拉伸试验难于采用夹具夹持试样。如果直接采用室温时夹紧试样的方案，极低模量复合材料极易在夹持端发生破坏，且在升温过程中，试样和夹具的热变形不匹配会在试样内部产生热应力，严重影响试验结果的准确性，甚至在试验前试样发生破坏。
目前鲜有公开地解决极低模量材料拉伸测试夹持端破坏及相关消除升温过程中热应力影响的夹具结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具，能够消除试样在升温加热过程中产生的热应力，并改进夹持方式，有效解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具，包括上拉伸单元和下拉伸单元两部分；
所述上拉伸单元包括第一U形夹具、第一垫片、第一挡板、第一紧固螺钉和第一预紧螺钉。所述第一U形夹具内部两侧面设有圆弧端面，通过圆弧端面对平板试样进行定位、加载。所述第一U形夹具前部两侧设有螺纹孔，第一紧固螺钉通过螺纹连接固定在第一U形夹具上；第一挡板两侧开有U形槽，中部开有螺纹孔，第一挡板通过U形槽坐落在两个第一紧固螺钉上；第一预紧螺钉通过旋入第一挡板中部的螺纹孔，顶在第一垫片上，对平板试样固定。
所述下拉伸单元包括第二U形夹具、垫第二片、第二挡板、第二紧固螺钉和第二预紧螺钉。所述第二U形夹具内部两侧面设有圆弧端面，通过圆弧端面对平板试样进行定位、加载。所述第二U形夹具前部两侧设有螺纹孔，第二紧固螺钉通过螺纹连接固定在第二U形夹具上；第二挡板两侧开有U形槽，中部开有螺纹孔，第二挡板通过U形槽坐落在两个第二紧固螺钉上；第二预紧螺钉通过旋入第二挡板中部的螺纹孔，顶在第二垫片上，对平板试样固定。
所述圆弧端面的表面为圆弧曲面，以减小平板试样加载部位的应力集中。
所述平板试样为哑铃型试样，加载端宽，标距段窄，加载端与标距段之间采用圆弧过渡，过渡圆弧的尺寸与第一U形夹具和第二U形夹具的圆弧端面尺寸相同。
一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具的试验方法，包括如下步骤：
步骤1：调整第一U形夹具和第二U形夹具之间的距离，将平板试样放入第一U形夹具和第二U形夹具内；
步骤2：调整平板试样在第一U形夹具圆弧端面上的位置，使平板试样的圆弧端面与第一U形夹具的圆弧端面重合；
步骤3：将第一垫片放在第一U形夹具的圆弧端面，与平板试样贴合；将第一紧固螺钉固定在第一U形夹具上，并将第一挡板坐落在第一紧固螺钉上；
步骤4：将第一预紧螺钉旋入第一挡板，并且顶住第一垫片，固定平板试样；
步骤5：将第二垫片放在第二U形夹具的圆弧端面，与平板试样贴合；将第二紧固螺钉固定在第二U形夹具上，并将第二挡板坐落在第二紧固螺钉上；
步骤6：将第二预紧螺钉旋入第二挡板，并且顶住第二垫片，固定平板试样。第二预紧螺钉顶住第二垫片时，稍微顶住即可，使得试样在升温加热(室温至1300℃)的过程中，可以沿竖直方向自由膨胀，释放热应力。
拉伸过程中，试样与圆弧端面将产生较大的正压力(零至最大拉伸载荷)，实现试样的轴向加载。
另外，极低模量复合材料高温拉伸试验夹具首次安装后，第一紧固螺钉和第二紧固螺钉皆不用拆卸，试样安装时只需调整试样、第一垫片和第二垫片、第一挡板和第二挡板、第一预紧螺钉和第二预紧螺钉即可，试样安装过程非常简单方便。
本发明所达到的有益效果是：一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具，通过采用圆弧端面加载的方式，解决了试样夹持端易破坏的问题，消除了试样在升温过程中产生的热应力，保证拉伸试样只受到试验机的拉伸载荷，避免其受到额外的影响，从而提高试验数据的准确性，并且操作简单，特别适用于极低模量复合材料在高温环境下的拉伸试验。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是本发明实施例中的轴侧视图。
图2是本发明实施例中的正视图。
图3是本发明的U形夹具结构示意正视图。
图4是本发明的U形夹具结构示意正等轴侧图。
图5是本发明的垫片结构示意图。
图6是本发明的挡板结构示意图。
图7是本发明的试样结构示意图。
附图标记说明：
1、上拉伸单元：1-1、第一U形夹具；1-2、第一垫片；1-3、第一挡板；1-4、第一紧固螺钉；1-5、第一预紧螺钉；
2、下拉伸单元：2-1、第二U形夹具；2-2、第二垫片；2-3、第二挡板；2-4、第二紧固螺钉；2-5、第二预紧螺钉；
3、平板试样；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1与图2所示，本发明提供的一种用于极低模量复合材料高温拉伸的试验夹具，该夹具包括上拉伸单元1和下拉伸单元2；上拉伸单元通过圆弧端面与垫块对试样进行定位和固定，下拉伸单元2通过圆弧端面与试样进行连接，通过垫块对平板试样3进行固定。
当进行试验时，首先将平板试样3放置在第一U形夹具1-1的圆弧端面上，使试样3的圆弧端面与第一U形夹具1-1的圆弧端面重合；然后，将第一垫片1-2放在第一U形夹具1-1的圆弧端面，与平板试样3贴合；进一步地，将第一紧固螺钉1-4固定在U形夹具1-1上，并将第一挡板1-3坐落在紧固螺钉1-4上；最后，第一预紧螺钉1-5旋入第一挡板1-3，并且顶住第一垫片1-2，固定平板试样3。
试样下端的安装及固定过程与上端类似，不同之处在于第二预紧螺钉2-5顶住第二垫片2-2时，稍微顶住即可，使得试样3在升温加热的过程中，可以沿竖直方向自由膨胀，释放热应力。拉伸时，试样与圆弧端面将产生较大的正压力和摩擦力，实现试样的轴向加载。
另外，极低模量复合材料高温拉伸试验夹具首次安装后，第一紧固螺钉和第二紧固螺钉皆不用拆卸，试样安装时只需调整试样、第一垫片和第二垫片、第一挡板和第二挡板、第一预紧螺钉和第二预紧螺钉即可，试样安装过程非常简单方便。
结合图3与图4所示，所述第一U形夹具1-1和第二U形夹具2-1一端带有凹槽，凹槽内部侧面为圆弧端面，与试样3连接；另一端与试验机连接；第一U形夹具1-1和第二U形夹具2-1前部两侧设有螺纹孔，用于通过第一紧固螺钉1-4和第二紧固螺2-4固定第一挡板1-3和第二挡板2-3。
结合图5所示，所述第一垫片1-2和第二垫片2-2的圆弧端面与第一U形夹具1-1和第二U形夹具2-1的圆弧端面一致，宽度和高度比凹槽略小。
结合图6所示，所述第一挡板1-3和第二挡板2-3整体呈长方形，开有倒角，中部有一个螺纹孔，第一预紧螺钉1-5和第二预紧螺2-5通过第一挡板1-3和第二挡板2-3的螺纹孔顶在试样3上，对试样3进行固定。
结合图7所示，所述试样3为哑铃型试样，加载端宽，标距段窄，加载端与标距段之间采用圆弧过渡，过渡圆弧的尺寸与第一U形夹具1-1和第二U形夹具2-1的圆弧端面尺寸相同。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具，其特征在于：包括上拉伸单元和下拉伸单元两部分；
所述上拉伸单元包括第一U形夹具、第一垫片、第一挡板、第一紧固螺钉和第一预紧螺钉；所述第一U形夹具内部两侧面设有圆弧端面，通过圆弧端面对平板试样进行定位、加载；所述第一U形夹具前部两侧设有螺纹孔，第一紧固螺钉通过螺纹连接固定在第一U形夹具上；第一挡板两侧开有U形槽，中部开有螺纹孔，第一挡板通过U形槽坐落在两个第一紧固螺钉上；第一预紧螺钉通过旋入第一挡板中部的螺纹孔，顶在第一垫片上，对平板试样固定；
所述下拉伸单元包括第二U形夹具、第二垫片、第二挡板、第二紧固螺钉和第二预紧螺钉；所述第二U形夹具内部两侧面设有圆弧端面，通过圆弧端面对平板试样进行定位、加载；所述第二U形夹具前部两侧设有螺纹孔，第二紧固螺钉通过螺纹连接固定在第二U形夹具上；第二挡板两侧开有U形槽，中部开有螺纹孔，第二挡板通过U形槽坐落在两个第二紧固螺钉上；第二预紧螺钉通过旋入第二挡板中部的螺纹孔，顶在第二垫片上；
通过第一紧固螺钉和第二紧固螺钉固定第一档板和第二档板；
第二预紧螺钉顶住第二垫片，不需要压紧，第一垫片与第二垫片的圆弧端面与第一U形夹具和第二U形夹具的圆弧端面一致，宽度和高度比凹槽略小；
所述U形夹具为试样纵向定位、加载的主体部件，经一体化设计、加工、制备而成；所述垫片、挡板、紧固螺钉及预紧螺钉为横向固定部件；
所述高温试验夹具可在夹具正面完成试样装夹。
2.根据权利要求1所述的一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述圆弧端面的表面为圆弧曲面，以减小平板试样加载部位的应力集中。
3.根据权利要求1所述的一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具，其特征在于：所述平板试样为哑铃型试样，加载端宽，标距段窄，加载端与标距段之间采用圆弧过渡，圆弧的尺寸与第一U形夹具和第二U形夹具的圆弧端面尺寸相同。
4.一种根据权利要求1所述的极低模量复合材料高温拉伸试验夹具的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：调整第一U形夹具和第二U形夹具之间的距离，将平板试样放入第一U形夹具和第二U形夹具内；
步骤2：调整平板试样在第一U形夹具圆弧端面上的位置，使平板试样的圆弧端面与第一U形夹具的圆弧端面重合；
步骤3：将第一垫片放在第一U形夹具的圆弧端面，与平板试样贴合；将第一紧固螺钉固定在第一U形夹具上，并将第一挡板坐落在第一紧固螺钉上；
步骤4：将第一预紧螺钉旋入第一挡板，并且顶住第一垫片，固定平板试样；
步骤5：将第二垫片放在第二U形夹具的圆弧端面，与平板试样贴合；将第二紧固螺钉固定在第二U形夹具上，并将第二挡板坐落在第二紧固螺钉上；
步骤6：将第二预紧螺钉旋入第二挡板，并且顶住第二垫片；第二预紧螺钉顶住第二垫片时，不需要压紧，使得试样在升温加热的过程中，沿竖直方向自由膨胀，释放热应力。
5.根据权利要求4所述的一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具的试验方法，其特征在于：升温加热的过程中，室温至13000℃。
6.根据权利要求4所述的一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具的试验方法，其特征在于：试样与圆弧端面将产生正压力，实现试样的轴向加载。
7.根据权利要求4所述的一种极低模量复合材料高温拉伸试验夹具的试验方法，其特征在于：夹具首次安装后，第一紧固螺钉和第二紧固螺钉皆不用拆卸，试样安装时只需调整试样、第一垫片和第二垫片、第一挡板和第二挡板、第一预紧螺钉和第二预紧螺钉即可。
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