CN110308036B - 一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具，包括高温夹具的下半块和高温夹具的上半块，高温夹具下半块包括导向轴、定位销、左下夹块、右下夹块、I型夹紧力补偿器、下对中角钢、II型夹紧力补偿器、螺栓和螺母；高温夹具上半块包括定位销、左上夹块、右上夹块、I型夹紧力补偿器、II型夹紧力补偿器、上对中角钢、螺栓和螺母；解决了以往夹具无法夹紧、无法开展高温下压缩力学性能试验和显著降低材料压缩力学性能测试数据的可靠性的问题。

Description

一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具
技术领域
本发明涉及力学性能测试的夹具领域，特别是一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具。
背景技术
新型高温结构复合材料体系具有高比强度，高比模量，抗疲劳性能优异。特别是对于高温复合材料体系、其在高温环境下力学性能保持率高，具备替代航空、航天高温钛合金等结构材料的巨大潜力。在飞行器结构的设计过程中，材料力学性能的测试和表征是结构设计优化、强度校核的必要条件。为了进一步拓展高温结构复合材料体系的应用，其常温、高温环境下的力学性能测试和表征是必要环节。
新型高温结构复合材料各项力学性能的高保持率使得高温下力学性能的测试需要与之相匹配的实验条件。在涉及的压缩性能测试环节，试验过程中要求保证测试试样在夹具中的位置固定且与夹具的相对位置不变，夹具可以保证压缩载荷真实施加于测试试样上，且试样标距段无其他作用力影响，从而保证压缩性能测试数据的准确性。
现有技术一，国标GB/T 5258-2008 B型夹具。
有如下缺点，常温压缩试验过程中该夹具可以通过螺栓调节试样夹持力的大小，实现安装试样过程中，试样既不因夹紧力不足而在夹具中发生滑动，也不会由于夹紧力过大导致试样压溃。但用于高温条件下复合材料单向层合板的压缩力学性能测试存在以下缺点：
(1)复合材料单向层合板的压缩力学性能试验中，为了保证试样在螺栓压紧力作用下不出现压溃失效，需要在试样上、下夹持端粘贴金属保护片如铝合金。随着试验温度升高，用于粘贴金属保护片的树脂胶将发生软化流动，导致试样无法压紧，试样和夹具之间发生相对滑动，使得压缩载荷无法传递到试样的试验段，无法开展高温下压缩力学性能试验。
(2)高温条件下，复合材料试样由于高度的各向异性，试样厚度方向横向的热膨胀系数远远小于与其配合的金属部件，随着试验温度的升高，由于热膨胀不协调，8个螺栓的横向压紧力将显著下降，夹紧力不足而使试样与金属夹具之间出现相对滑动，导致压缩载荷无法传递到试样的标距段，无法开展高温下压缩力学性能试验。
(3)原夹具左右两侧各有一根导向轴，导向轴与夹块上导向孔之间存在间隙，保证加载过程中上夹块可自由上下滑动。8根螺栓上的拧紧力矩虽然通过采用扭力扳手，可保证大致一致，但试样上下两端加工或表面处理后实际厚度会产生偏差，压紧距离不等，从而造成两导向轴轴线不平行，使得试样装夹过程中出现过定位，干涉其上下自由滑动。在高温试验过程中影响更加严重，显著降低材料压缩力学性能测试数据的可靠性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具，解决了以往夹具无法夹紧、无法开展高温下压缩力学性能试验和显著降低材料压缩力学性能测试数据的可靠性的问题。
本发明采用的技术方案是，.一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具，包括高温夹具的下半块和高温夹具的上半块。
优选地，高温夹具下半块包括导向轴、定位销、左下夹块、右下夹块、I型夹紧力补偿器、下对中角钢、II型夹紧力补偿器、螺栓和螺母；
第一导向轴和第二导向轴并列带紧度的插在耐热钢制成的工作面带铣花，面向右的左下夹块的导向孔中；
组合件包括第一定位销、第二定位销和左下夹块；第一定位销带紧度的插在左下夹块与第一导向轴孔垂直的第一定位销孔内，第二定位销带紧度的插在左下夹块与第二导向轴孔垂直的第二定位销孔内，沿周四点冲死；
右下夹块铣花面向左上面的定位销孔对准组合件上的定位销，并装到上面；第一I型夹紧力补偿器、第二I型夹紧力补偿器、第一II型夹紧力补偿器和第二II型夹紧力补偿器依次套在第一螺栓上，第三I型夹紧力补偿器、第四I型夹紧力补偿器、第三II型夹紧力补偿器和第四II型夹紧力补偿器依次套在第二螺栓上，第五I型夹紧力补偿器、第六I型夹紧力补偿器、第五II型夹紧力补偿器和第六II型夹紧力补偿器依次套在第三螺栓上，第七I型夹紧力补偿器、第八I型夹紧力补偿器、第七II型夹紧力补偿器和第八II型夹紧力补偿器依次套在第四螺栓上，第一螺栓向左插入第一螺栓孔里，随后拧紧第一螺母，第二螺栓向左插入第二螺栓孔里，随后拧紧第二螺母，第三螺栓向左插入第三螺栓孔里，随后拧紧第三螺母，第四螺栓向左插入第四螺栓孔里，随后拧紧第四螺母，下对中角钢用第九螺栓固定在左下夹块上。
优选地，高温夹具上半块包括定位销、左上夹块、右上夹块、I型夹紧力补偿器、II型夹紧力补偿器、上对中角钢、螺栓和螺母；
组合件包括第三定位销、第四定位销和左上夹块；第三定位销带紧度的插在左上夹块与第三导向轴孔垂直的第三定位销孔内，第四定位销带紧度的插在左上夹块与第四导向轴孔垂直的第四定位销孔内，沿周四点冲死；
高温夹具上半块的第一导向孔对准高温夹具下半块上的第三导向轴，高温夹具上半块的第二导向孔对准高温夹具下半块上的第四导向轴，且装到高温夹具的下半块上；
右上夹块铣花面向左上面的定位销孔对准组合件上的定位销，并装到上面；第九I型夹紧力补偿器、第十I型夹紧力补偿器、第九II型夹紧力补偿器和第十II型夹紧力补偿器依次套在第五螺栓上，第十一I型夹紧力补偿器、第十二I型夹紧力补偿器、第十一II型夹紧力补偿器和第十二II型夹紧力补偿器依次套在第六螺栓上，第十三I型夹紧力补偿器、第十四I型夹紧力补偿器、第十三II型夹紧力补偿器和第十四II型夹紧力补偿器依次套在第七螺栓上，第十五I型夹紧力补偿器、十六I型夹紧力补偿器、第十五II型夹紧力补偿器和十六II型夹紧力补偿器依次套在第八螺栓上，第五螺栓向左插入第五螺栓孔里，随后拧紧第五螺母，第六螺栓向左插入第六螺栓孔里，随后拧紧第六螺母，第七螺栓向左插入第七螺栓孔里，随后拧紧第七螺母，第八螺栓向左插入第八螺栓孔里，随后拧紧第八螺母，上对中角钢用第十螺栓固定在左上夹块上。
本发明用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具的有益效果如下：
本发明技术可显著提高高温环境下夹具中螺栓的压紧力，实现复合材料单向层合板压缩力学性能测试，通过结合变形测量工具可获得材料的高温压缩模量和压缩强度，也同时适用于常温复合材料压缩力学性能测试，使得夹具的适用温度从常温可扩展到500℃，为高温复合材料结构设计和强度校核提供数据支撑。
附图说明
图1为本发明复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具的GB/T 5258-2008B型夹具。
图2为本发明复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具的GB/T 5258-2008B型夹具螺丝拧紧后两轴不平行示意图。
图3为本发明复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具的主视图。
图4为本发明复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具的左视图。
图5为本发明复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具的俯视图。
图6为本发明复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具的高温压缩试验中试样端部失效图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图3、图4和图5所示，一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具，包括高温夹具的下半块和高温夹具的上半块。
本实施方案的高温夹具下半块包括导向轴3、定位销7、左下夹块1、右下夹块11、I型夹紧力补偿器8、下对中角钢13-1、II型夹紧力补偿器9、螺栓和螺母4；
第一导向轴3-1和第二导向轴3-2并列带紧度的插在耐热钢制成的工作面带铣花，面向右的左下夹块1的导向孔中；
组合件包括第一定位销7-1、第二定位销7-2和左下夹块1；第一定位销7-1带紧度的插在左下夹块1与第一导向轴孔垂直的第一定位销孔内，第二定位销7-2带紧度的插在左下夹块1与第二导向轴孔垂直的第二定位销孔内，沿周四点冲死；
右下夹块11铣花面向左上面的定位销孔对准组合件上的定位销，并装到上面；第一I型夹紧力补偿器8-1、第二I型夹紧力补偿器8-2、第一II型夹紧力补偿器9-1和第二II型夹紧力补偿器9-2依次套在第一螺栓2-1上，第三I型夹紧力补偿器8-3、第四I型夹紧力补偿器8-4、第三II型夹紧力补偿器9-3和第四II型夹紧力补偿器9-4依次套在第二螺栓2-2上，第五I型夹紧力补偿器8-5、第六I型夹紧力补偿器8-6、第五II型夹紧力补偿器9-5和第六II型夹紧力补偿器9-6依次套在第三螺栓2-3上，第七I型夹紧力补偿器8-7、第八I型夹紧力补偿器8-8、第七II型夹紧力补偿器9-7和第八II型夹紧力补偿器9-8依次套在第四螺栓2-4上，第一螺栓2-1向左插入第一螺栓孔里，随后拧紧第一螺母4-1，第二螺栓2-2向左插入第二螺栓孔里，随后拧紧第二螺母4-2，第三螺栓2-3向左插入第三螺栓孔里，随后拧紧第三螺母4-3，第四螺栓2-4向左插入第四螺栓孔里，随后拧紧第四螺母4-4，下对中角钢13-1用第九螺栓12-1固定在左下夹块上。
本实施方案的高温夹具上半块包括定位销7、左上夹块5、右上夹块10、I型夹紧力补偿器8、II型夹紧力补偿器9、上对中角钢13-2、螺栓和螺母4；
组合件包括第三定位销7-3、第四定位销7-4和左上夹块5；第三定位销7-3带紧度的插在左上夹块5与第三导向轴孔垂直的第三定位销孔内，第四定位销7-4带紧度的插在左上夹块5与第四导向轴孔垂直的第四定位销孔内，沿周四点冲死；
高温夹具上半块的第一导向孔对准高温夹具下半块上的第三导向轴，高温夹具上半块的第二导向孔对准高温夹具下半块上的第四导向轴，且装到高温夹具的下半块上；
右上夹块10铣花面向左上面的定位销孔对准组合件上的定位销，并装到上面；第九I型夹紧力补偿器8-9、第十I型夹紧力补偿器8-10、第九II型夹紧力补偿器9-9和第十II型夹紧力补偿器9-10依次套在第五螺栓上，第十一I型夹紧力补偿器8-11、第十二I型夹紧力补偿器8-12、第十一II型夹紧力补偿器9-11和第十二II型夹紧力补偿器9-12依次套在第六螺栓上，第十三I型夹紧力补偿器8-13、第十四I型夹紧力补偿器8-14、第十三II型夹紧力补偿器9-13和第十四II型夹紧力补偿器9-14依次套在第七螺栓上，第十五I型夹紧力补偿器8-15、十六I型夹紧力补偿器8-16、第十五II型夹紧力补偿器9-15和十六II型夹紧力补偿器9-16依次套在第八螺栓上，第五螺栓2-5向左插入第五螺栓孔里，随后拧紧第五螺母，第六螺栓2-6向左插入第六螺栓孔里，随后拧紧第六螺母4-6，第七螺栓2-7向左插入第七螺栓孔里，随后拧紧第七螺母4-7，第八螺栓2-8向左插入第八螺栓孔里，随后拧紧第八螺母4-8，上对中角钢13-2用第十螺栓12-2固定在左上夹块上。
本实施方案在实施时，本发明是用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具。新型高温压缩夹具的详细介绍如下：它是由耐热钢制成的工作面铣花的上下左右4个夹块、两根导向轴、8根螺栓、螺母、若干个I型和II型夹紧力补偿器和对中角钢组成。它适用于高温复合材料层合板压缩力学性能测试，该夹具具体方案见图3、图4和图5所示。
本发明的关键技术体现在三个方面：1夹紧力补偿器；2夹块工作面铣花设计；3改变导向轴的布局。
1.夹紧力补偿器
高温条件下，由于试样上的压紧力不足导致试样与图1所示夹块之间出现相对滑动，造成试样凸出夹具，压缩载荷直接施加在试样的端部，导致试样端部失效如图6所示，压缩载荷无法有效传递到试样的标距段处，无法用于高温压缩力学性能试验。若实验之前常温下施加更大的夹持力将试样压紧，夹紧力会直接导致试样承受过大横向载荷直接压溃，因此国家标准GB/T5258-2008中采用的B型夹具无法用于复合材料层合板试样的高温压缩力学性能测试。为此在螺栓上特别增加夹紧力补偿器，高温下利用补偿器的热膨胀补偿失去的夹紧力。
2.夹块工作面铣花
为了避免高温下试样沿夹块工作面滑动，一方面增设夹紧力补偿器以提高工作面正压力，另一方面夹块工作面铣花，提高其摩擦系数，两方面改进可有效提高摩擦力。
3.改变导向轴的设计方案
如图2所示，为了避免8个螺栓拧紧后导致两导向轴不平行，干涉夹块上下滑动，改变原有设计方案，将图2中右导向轴移到左侧夹块上，左侧出现双导向轴，并使两导向轴圆心连线平面与试样平面错开并保持平行如图2所示，使得夹块上下滑动不会出现被卡的情况。
设计方法
对于复合材料压缩夹具，常温条件下由于螺栓压紧作用，试样上横向压缩载荷为：
Figure BDA0002136601840000081
式中,δ为压紧过程中的螺栓变形，EbAb分布为螺栓弹性模量和横截面面积，L为压紧部分螺柱总长度。由于金属螺栓，金属压块的热膨胀系数高于树脂基复合材料，因此高温实验中温升可导致复合材料试样上作用的压紧显著降低，降低程度与温升幅值和热膨胀系数差别成正比，则有：
ΔF-＝(αb-αsp)ΔTEbAb (2)
式中,αb为螺栓的热膨胀系数，αsp为试样的热膨胀系数，ΔT为高温实验中温升水平。为了补偿温升和热失配引起的如式(2)所示的下降的压紧力，提出采用套筒和螺栓的新设计思路。下降的压紧力将由套筒材料和螺栓材料温升条件下产生的热失配引起的压缩载荷提高补偿，压紧力补偿水平与套筒和螺栓材料的热膨胀系数差和套筒长度成正比，这有：
ΔF+＝(αb-αt)ΔT(lt/L)EbAb (3)
式中,αt为套筒的热膨胀系数，lt为套筒的长度。通过比较式(2)和式(3)，是压紧载荷变化可忽略，即：
(αb-αt)(lt/L)＝αb-αsp (4)
从而确定套筒的材料和长度设计值。对于给定套筒材料αt，则：
Figure BDA0002136601840000091
套筒长度与温度幅度和复合材料试样与螺栓的热膨胀系数之差成正比。

Claims (1)

1.一种用于复合材料层合板高温压缩力学性能测试的夹具 ，其特征在于，包括高温夹具的下半块和高温夹具的上半块；
所述高温夹具下半块包括导向轴（3）、定位销（7）、左下夹块（1）、右下夹块（11）、I 型夹紧力补偿器（8）、下对中角钢（13-1）、II型夹紧力补偿器（9）、螺栓和螺母（4）；
第一导向轴（3-1）和第二导向轴（3-2）并列带紧度的插在耐热钢制成的工作面带铣花，面向右的左下夹块（1）的导向孔中；
组合件包括第一定位销（7-1）、第二定位销（7-2）和左下夹块（1）；所述第一定位销（7-1）带紧度的插在左下夹块（1）与第一导向轴孔垂直的第一定位销孔内，所述第二定位销（7-2）带紧度的插在左下夹块（1）与第二导向轴孔垂直的第二定位销孔内，沿周四点冲死；
所述右下夹块（11）铣花面向左上面的定位销孔对准组合件上的定位销，并装到上面；第一I 型夹紧力补偿器（8-1）、第二I 型夹紧力补偿器（8-2）、第一II型夹紧力补偿器（9-1）和第二II型夹紧力补偿器（9-2）依次套在第一螺栓（2-1）上，第三I 型夹紧力补偿器（8-3）、第四I 型夹紧力补偿器（8-4）、第三II型夹紧力补偿器（9-3）和第四II型夹紧力补偿器（9-4）依次套在第二螺栓（2-2）上，第五I 型夹紧力补偿器（8-5）、第六I 型夹紧力补偿器（8-6）、第五II型夹紧力补偿器（9-5）和第六II型夹紧力补偿器（9-6）依次套在第三螺栓（2-3）上，第七I 型夹紧力补偿器（8-7）、第八I 型夹紧力补偿器（8-8）、第七II型夹紧力补偿器（9-7）和第八II型夹紧力补偿器（9-8）依次套在第四螺栓（2-4）上，所述第一螺栓（2-1）向左插入第一螺栓孔里，随后拧紧第一螺母（4-1），所述第二螺栓（2-2）向左插入第二螺栓孔里，随后拧紧第二螺母（4-2），所述第三螺栓（2-3）向左插入第三螺栓孔里，随后拧紧第三螺母（4-3），所述第四螺栓（2-4）向左插入第四螺栓孔里，随后拧紧第四螺母（4-4），所述下对中角钢（13-1）用第九螺栓（12-1）固定在左下夹块上；
所述高温夹具上半块包括定位销（7）、左上夹块（5）、右上夹块（10）、I 型夹紧力补偿器（8）、II型夹紧力补偿器（9）、上对中角钢（13-2）、螺栓和螺母（4）；
组合件包括第三定位销（7-3）、第四定位销（7-4）和左上夹块（5）；所述第三定位销（7-3）带紧度的插在左上夹块（5）与第三导向轴孔垂直的第三定位销孔内，所述第四定位销（7-4）带紧度的插在左上夹块（5）与第四导向轴孔垂直的第四定位销孔内，沿周四点冲死；
高温夹具上半块的第一导向孔对准高温夹具下半块上的第三导向轴，高温夹具上半块的第二导向孔对准高温夹具下半块上的第四导向轴，且装到高温夹具的下半块上；
所述右上夹块（10）铣花面向左上面的定位销孔对准组合件上的定位销，并装到上面；第九I 型夹紧力补偿器（8-9）、第十I 型夹紧力补偿器（8-10）、第九II型夹紧力补偿器（9-9）和第十II型夹紧力补偿器（9-10）依次套在第五螺栓上，第十一I 型夹紧力补偿器（8-11）、第十二I 型夹紧力补偿器（8-12）、第十一II型夹紧力补偿器（9-11）和第十二II型夹紧力补偿器（9-12）依次套在第六螺栓上，第十三I 型夹紧力补偿器（8-13）、第十四I 型夹紧力补偿器（8-14）、第十三II型夹紧力补偿器（9-13）和第十四II型夹紧力补偿器（9-14）依次套在第七螺栓上，第十五I 型夹紧力补偿器（8-15）、十六I 型夹紧力补偿器（8-16）、第十五II型夹紧力补偿器（9-15）和十六II型夹紧力补偿器（9-16）依次套在第八螺栓上，所述第五螺栓（2-5）向左插入第五螺栓孔里，随后拧紧第五螺母（4-5），所述第六螺栓（2-6）向左插入第六螺栓孔里，随后拧紧第六螺母（4-6），所述第七螺栓（2-7）向左插入第七螺栓孔里，随后拧紧第七螺母（4-7），所述第八螺栓（2-8）向左插入第八螺栓孔里，随后拧紧第八螺母（4-8），所述上对中角钢（13-2）用第十螺栓（12-2）固定在左上夹块（5）上。
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