CN109470564A - 夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力的测试装置及测试方法，通过记录夹持段打滑时试验机的拉力和夹紧力，然后清洗试件夹持段的护板并放置在光学显微镜下测量护板夹持面上的压痕直径，将压痕直径随压痕在护板轴线位置的变化曲线绘制出来，计算曲线上线性拐点在护板轴线上的位置到护板端部的距离，根据该距离与护板长度的比值、夹持段打滑时试验机的拉力和夹紧力估计后续试验需设定的夹紧力值。本发明提供的测试装置及测试方法简单易行，不浪费试件，无需操作人员工程经验，可节省试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料薄板力学性能测试领域，具体涉及一种复合材料拉伸试验夹紧力测试装置及测试方法。
背景技术
复合材料广泛应用于航空发动机风扇叶片、压气机机匣、涡轮机匣等薄壁结构，为了解新型复合材料薄壁结构力学性能，首先需要进行复合材料力学试验，加工批量复合材料薄板试件，对批量试件进行力学测试。
在拉伸(静拉以及拉拉疲劳)试验中，为增加夹持部分的抗剪能力，防止薄板件夹持段滑脱，试验机与薄板件配套夹具的夹持面往往带有密集均布的凸出“梯形台”压花，如美国美斯特公司拉伸试验机夹具，在试件被夹紧时，因夹具上的“梯形台”压花，试件夹持段表面会形成密集均布的“梯形台”压痕。
陶瓷基、树脂基等复合材料薄板件各向异性，横向抗压性能较差。为防止试件压坏，试验时预设的夹紧力较小。为避免夹紧试件时“梯形台”压花直接作用在试件夹持段压断复合材料纤维，试件由复合材料试验段、复合材料夹持段和夹持段护板组成。
在复合材料与夹具间增加一层护板，将金属或聚四氟乙烯护板用高强度胶粘贴于复合材料的夹持面，“梯形台”压花将在护板上产生压痕而不会损伤复合材料。
相对于横向抗压性能，陶瓷基、树脂基等复合材料薄板件抗拉强度较大，试验时若为防止压坏试件而设置了较为保守的夹紧力，则试件拉伸到某个应力后，复合材料夹持段因夹紧力不足产生轴向应变，使高强度胶层产生剪切应变，与这种应变相应的剪切力远超出胶水抗剪强度，复合材料夹持段相对于护板快速滑动，复合材料夹持段被抽出。
当复合材料夹持段相对护板滑动时，试验设定的夹紧力因承力面不断缩小而降低，液压夹具为达到设定的夹紧力，随着承力面的缩小并拢夹具，以补偿夹紧力因承力面缩小的损失。随着复合材料夹持段的抽出及夹具的并拢，试件夹持部分承受的压强越来越大，护板上的“梯形台”压痕越来越深，直至复合材料夹持段被压坏，护板与复合材料脱离，试验失败。
复合材料夹持段产生轴向位移，护板无轴向位移。这是因为护板和夹具间采用密集“梯形台”接触，这种接触方式的抗剪能力较强，护板被夹具固定在原始位置。
目前，大多数材料拉伸试验根据操作者经验设置夹紧力，但对新型复合材料且新结构的试件，没有经验保证试件不被拉滑。试件被拉滑后，根据经验增大夹紧力调试试验的方法有浪费试件、提高试验成本的风险，经验往往只保证试件不被拉脱，却难以顾及复合材料是否被大的夹紧力压坏。极少数试验机厂商会给出夹紧力的设置方法，如美国美斯特公司给出了根据板材尺寸等预设夹紧力的公式，但含护板的复合材料试件本质上是微小构件，不能通过该公式得到夹紧力设置。
发明内容
发明目的：本发明提供一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力的测试装置及测试方法,解决含护板复合材料试件夹持段打滑后拉伸试验夹紧力的设定问题。且本发明并不需要实施人员先前经验，利用损坏的试件估计后续试验的夹紧力，不浪费其余试件，能降低试验成本。
技术方案：本发明提供的夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力的测试装置可采用如下技术方案。
一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试装置，其特征在于，包括粘贴在复合材料试件夹持段两侧的护板、材料拉伸试验机、压痕直径测量装置、计算模块。
所述材料拉伸试验机包括位于复合材料两侧护板外侧的夹具，该夹具上具有压花，夹具自两侧压住复合材料的两侧护板，分别在护板外侧面压出若干压痕，该若干压痕成多行多列排布。
压痕直径测量装置测量出压痕直径。
计算模块选取拉伸方向上任意一列压痕的直径，并记录该列压痕直径的变化曲线，该变化曲线在直角坐标系内形成，且直角坐标系的横轴为压痕在该列中的位置，纵轴为压痕直径；标记曲线中非线性段过渡到线性段的拐点，记录该点在该列中的位置，并得到该点位置到护板外端的长度，该护板的外端指粘贴于试件末梢方向的端部；得到该点位置到护板外端的长度与护板沿拉伸方向长度的比值r。
计算模块中设置试件最大夹紧力为G1/r；G1为试验机当前夹紧力；同时设置G2＝1.1G1Fmax/F，其中Fmax为材料试验预估或人为设置的最大拉力，F为试验机当前拉力；同时计算模块中内设判断逻辑：
当G2<G1/r时，确定该试件后续试验的夹紧力为G2；
当G2>G1/r时，则更改护板结构，设计护板沿拉伸方向长度为当前长度的Fmax/F倍，确定后续试验的夹紧力为G2。
进一步的，所述计算模块中选取的压痕来自于试件打滑的护板。
进一步的，所述压痕直径测量装置为光学显微镜。
本发明提供的夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试方法可采用以下技术方案：
一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试方法，包括以下步骤：
1)记录试验机当前夹紧力G1和拉力F；
2)将打滑试件从夹具中取出，若护板与试件夹持段脱离，先取出试件其余部分，然后用镊子取出护板；
3)用丙酮清洗护板表面；
4)通过压痕直径测量装置测量出压痕直径；
5)绘制压痕直径随护板轴向(拉伸方向)位置的变化曲线，标记曲线中非线性段过渡到线性段的拐点，记录该点在护板沿拉伸方向长度上的位置；
6)计算拐点到护板外端的长度，该护板的外端指粘贴于试件末梢方向的端部；
7)计算步骤6)中得到的拐点到护板外端的长度与护板沿拉伸方向长度的比值r；
8)设置试件可承受的最大夹紧力为G1/r；
9)若试验预估或人为设置的最大拉力为Fmax，令G2＝1.1G1Fmax/F；
10)当G2<G1/r时，确定该试件样本后续试验的夹紧力为G2；
11)当G2>G1/r时，更改护板结构，设计护板沿拉伸方向长度为当前长度的Fmax/F倍，确定后续试验的夹紧力为G2。
进一步的，试验机用压强表征夹具夹紧力时，夹紧压强估计方法同上夹紧力估计方法所述。
进一步的，步骤4)中，通过光学显微镜获得压痕直径，也可通过拓印或着色方式，将护板压痕印在拷贝纸上，然后利用游标卡尺等简易测试工具测量压痕直径。
有益效果：本发明具有以下积极效果：
(1)本发明在复合材料试件打滑损坏后，利用损坏试件护板上的压痕估计试验用夹紧力，且估计的夹紧力既可保证复合材料试件夹持段不被压坏，又可满足拉伸试验的拉力要求。
(2)本发明在预估试件可承受最大夹紧力后，根据试验所需最大拉力及估计的试验夹紧力，可判断试件夹持段护板设计合理性，并给出了更改护板结构的措施及更改后试验的夹紧力设置方法。
附图说明
图1试验机夹具上的压花；
图2带护板复合材料试件示意图；
图3试件安装结构示意图；
图4试件被拉滑时的结构示意图；
图5拉滑后复合材料厚度方向示意图；
图6拉滑后护板夹持面示意图；
图7护板上压痕直径沿压痕位置变化曲线示意图。
其中，各标号表示：1、材料拉伸试验机夹具，2、夹具上的“梯形台”压花，3、复合材料试件，4、试件夹持段上粘贴的护板，5、护板上的压痕。
具体实施方式
请结合图1至图7所示，本发明公开一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试装置，包括粘贴在复合材料试件3夹持段两侧的护板4、材料拉伸试验机(图中只示出夹具)、压痕直径测量装置、计算模块。所述材料拉伸试验机包括位于复合材料两侧护板外侧的夹具1，该夹具1上具有压花2，夹具1自两侧压住复合材料试件3的两侧护板4，分别在护板4外侧面压出若干压痕5。如图6所示，该若干压痕5成多行多列排布。
压痕直径测量装置测量出压痕直径。
计算模块选取试件打滑的护板中其中一列压痕的压痕直径，并记录该列压痕直径的变化曲线。如图7所示，该变化曲线在直角坐标系内形成，且直角坐标系的横轴为压痕在该列中的位置，纵轴为压痕直径；标记曲线中非线性段过渡到线性段的拐点，记录该点在该列中的位置，并得到该点位置到护板外端的长度，该护板的外端指粘贴于试件末梢方向的端部；得到该点位置到护板外端的长度与护板沿拉伸方向长度的比值r。
计算模块中设置试件最大夹紧力为G1/r；G1为试验机当前夹紧力；同时设置G2＝1.1G1Fmax/F，其中Fmax为材料试验最大拉力，F为试验机当前拉力；同时计算模块中内设判断逻辑：
当G2<G1/r时，确定该试件后续试验的夹紧力为G2；
当G2>G1/r时，则更改护板结构，设计护板沿拉伸方向长度为当前长度的Fmax/F倍，确定后续试验的夹紧力为G2。
本实施方式中，所述压痕直径测量装置为光学显微镜。
结合上述测试装置，本发明同时提供一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试方法，包括以下步骤：
1)记录试验机当前夹紧力G1和拉力F；
2)将打滑试件从夹具中取出，若护板与试件夹持段脱离，先取出试件其余部分，然后用镊子取出护板；
3)用丙酮清洗护板表面；
4)通过压痕直径测量装置测量出压痕直径；
5)绘制压痕直径随护板轴向(拉伸方向)位置的变化曲线，标记曲线中非线性段过渡到线性段的拐点，记录该点在护板沿拉伸方向长度上的位置；
6)计算拐点到护板外端的长度，该护板的外端指粘贴于试件末梢方向的端部；
7)计算步骤6)中得到的拐点到护板外端的长度与护板沿拉伸方向长度的比值r；
8)设置试件可承受的最大夹紧力为G1/r；
9)根据试件材料试验最大拉力Fmax，令G2＝1.1G1Fmax/F；
10)当G2<G1/r时，确定该试件样本后续试验的夹紧力为G2；
11)当G2>G1/r时，更改护板结构，设计护板沿拉伸方向长度为当前长度的Fmax/F倍，确定后续试验的夹紧力为G2。
进一步的，试验机用压强表征夹具夹紧力时，夹紧压强估计方法同上夹紧力估计方法所述。
进一步的，步骤4)中，通过光学显微镜获得压痕直径，也可通过拓印或着色方式，将护板压痕印在拷贝纸上，然后利用游标卡尺等简易测试工具测量压痕直径。
Claims (6)
1.一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试装置，其特征在于，包括粘贴在复合材料试件夹持段两侧的护板、材料拉伸试验机、压痕直径测量装置、计算模块；
所述材料拉伸试验机包括位于复合材料两侧护板外侧的夹具，该夹具上具有压花，夹具自两侧压住复合材料试件的两侧护板，分别在护板外侧面压出若干压痕，该若干压痕成多行多列排列；
压痕直径测量装置测量出压痕直径；
计算模块选取其中一列压痕的压痕直径，并记录该列压痕直径的变化曲线，该变化曲线在直角坐标系内形成，且直角坐标系的横轴为压痕在该列中的位置，纵轴为压痕直径；标记曲线中非线性段过渡到线性段的拐点，记录该点在该列中的位置，并得到该点位置到护板外端的长度，该护板的外端指粘贴于复合材料试件末梢方向的端部；得到该点位置到护板外端的长度与护板沿拉伸方向长度的比值r，
计算模块中设置复合材料试件最大夹紧力为G1/r；G1为试验机当前夹紧力；同时设置G2＝1.1G1Fmax/F，其中Fmax为材料试验最大拉力，它是试验者根据试验要求给定的具体值或预估的拉力上限；F为试验机当前拉力；同时计算模块中内设判断逻辑：
当G2<G1/r时，确定该复合材料试件后续试验的夹紧力为G2；
当G2>G1/r时，则更改护板结构，设计护板沿拉伸方向长度为当前长度的Fmax/F倍，确定后续试验的夹紧力为G2。
2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于：所述计算模块中选取的压痕来自与复合材料试件打滑的护板。
3.根据权利要求1或2所述的测试装置，其特征在于：所述压痕直径测量装置为光学显微镜。
4.一种夹持段打滑后复合材料拉伸试验夹紧力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)记录试验机当前夹紧力G1和拉力F；
2)将打滑复合材料试件从夹具中取出，若护板与复合材料试件夹持段脱离，先取出复合材料试件其余部分，然后用镊子取出护板；
3)用丙酮清洗护板表面；
4)通过压痕直径测量装置测量出压痕直径；
5)绘制压痕直径随护板轴向位置的变化曲线，标记曲线中非线性段过渡到线性段的拐点，记录该点在护板沿拉伸方向长度上的位置；
6)计算拐点到护板外端的长度，该护板的外端指粘贴于复合材料试件末梢方向的端部；
7)计算步骤6)中得到的拐点到护板外端的长度与护板沿拉伸方向长度的比值r；
8)设置复合材料试件可承受的最大夹紧力为G1/r；
9)根据复合材料试验最大拉力Fmax，令G2＝1.1G1Fmax/F；
10)当G2<G1/r时，确定该复合材料试件后续试验的夹紧力为G2；
11)当G2>G1/r时，更改护板结构，设计护板沿拉伸方向长度为当前长度的Fmax/F倍，确定后续试验的夹紧力为G2。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：试验机用压强表征夹具夹紧力时，夹紧压强估计方法同上夹紧力估计方法所述。
6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤4)中，通过光学显微镜获得压痕直径，也可通过拓印或着色方式，将护板压痕印在拷贝纸上，然后利用游标卡尺等简易测试工具测量压痕直径。
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