CN110579401A - 一种空心夹层x型支架单臂力学性能试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，以X型支架的接头段(01)、过渡段(02)和一部分等直段(03)为待测试样(12)，使用包括上端工装(11)和下端工装(13)的夹持装置连接固定待测试样(12)；待测试样(12)与上端工装(11)通过胶接进行连接和传载；通过下端工装(13)来使固定后的待测试样(12)的等直段(03)轴线垂直于上端工装(11)的顶面和下端工装(13)的底面；力学性能试验机的作动端与上端工装(11)固定连接，固定端将下端工装(13)固定，然后通过力学性能试验机的作动端在垂直方向施加拉伸和压缩载荷，获取所述X型支架单臂的力学性能数据。

Description

一种空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法
技术领域
本发明总体地涉及力学性能测试技术领域，具体地涉及一种空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法。
背景技术
X型支架是一种用于连接火箭发动机燃料储箱的新型支架结构。该X型支架主体采用中空的结构形式，由四个部分组成，依次分别是接头段、过渡段、等直段和交叉段：接头段为平板状接头，用于X支架与燃料储箱端框连接；过渡段、等直段和交叉段为X型支架的主体部分，由中间板和两侧的帽形结构粘结而成，中间板起主要承载作用，传递绝大部分拉伸和压缩载荷，帽形结构主要起增强结构压缩稳定性作用，中间板和两侧的帽形结构结合形成X型支架主体部分的“中”字型截面；交叉段的截面特征为“中”字型截面交叉形成的空心结构；过渡段为变截面尺寸的“中”字型结构，由等直段的“中”字型截面过渡到接头段的板状截面，连接等直段和接头段。
X型支架的等直段和交叉段为平面型空心夹层结构，其承载效率高，受力状态较为均匀。等直段主要承受沿等直段轴线的轴向载荷。过渡段和接头段为扭转型结构，由“中”字型截面结构渐变至板状结构，其受力状态复杂，是整个X型支架结构中的薄弱段。因此，测量X型支架结构薄弱段的力学性能需要对包含接头段、过渡段和一部分等直段的X型支架单臂进行力学性能试验。
空心夹层X型支架单臂力学性能试验是检验X型支架结构设计是否满足设计要求的一个重要条件，其主要目的是考核所设计的X型支架连接区域强度是否满足设计要求。根据实际载荷工况，X型支架先承受拉伸载荷再承受压缩载荷，因此空心夹层X型支架单臂力学性能试验需要先测试拉伸强度，再测试压缩强度。开展空心夹层X型支架单臂力学性能试验主要面临两个困难：(1)X型支架接头段与等直段存在扭转角，试验中需要解决待测试样的加载方向问题；(2)等直段为“中”字型空心结构，难以夹持和传载。
发明内容
本发明针对现有技术中的空心夹层X型支架单臂力学性能研究的困难，提出一种空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，所述X型支架单臂包含接头段、过渡段和一部分等直段，该方法解决了X型支架单臂待测试样的加载方向问题；同时针对等直段的“中”字型空心结构，设计了夹持装置和传载方法。
本发明的技术方案是，一种空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，所述X型支架从交叉点处向外依次包括交叉段、等直段、过渡段和接头段，接头段为平板形状接头，用于X型支架与燃料储箱连接端框连接；过渡段、等直段和交叉段为X型支架的主体部分，由中间板和两侧的帽形结构粘结而成，中间板和两侧的帽形结构结合形成X型支架主体部分的“中”字型截面，交叉段的截面特征为“中”字型截面交叉形成的空心结构；过渡段为变截面尺寸的“中”字型结构，由等直段的“中”字型截面过渡到接头段的板状截面，连接等直段和接头段；所述单臂为接头段、过渡段和一部分等直段，上述接头段、过渡段和一部分等直段构成待测试样；所述力学性能试验使用的设备包括：力学性能试验机和用于连接固定待测试样的夹持装置；所述力学性能试验机包括可上下移动实现垂直加载作用力的作动端和底座固定端；所述夹持装置包括上端工装和下端工装；待测试样连接固定于夹持装置的上端工装和下端工装之间，并且使固定后的待测试样的等直段轴线垂直于上端工装的顶面和下端工装的底面；力学性能试验机的作动端与上端工装固定连接，固定端将下端工装下端固定，然后通过力学性能试验机的作动端在垂直方向施加载荷，获取所述X型支架单臂试样的力学性能数据。
本发明是针对空心夹层X型支架提出的单臂力学性能试验方法，如上所述空心夹层X型支架为空间异型结构，其受力状态复杂，如前所述，等直段和交叉段为平面型空心夹层结构，其承载效率高，受力状态较为均匀。等直段主要承受沿等直段轴线的轴向载荷。过渡段和接头段为扭转型结构，由“中”字型截面结构渐变至板状结构，其受力状态复杂，是整个X型支架结构中的薄弱段，但该薄弱段的力学性能很难通过常规试验方法获得。本发明将接头段、过渡段和一部分等直段作为试验对象，通过上端工装和下端工装将其固定，同时通过设计下端工装接头的方向使待测试样的等直段轴线与试验机的加载力方向一致，即解决了作用力的加载问题，从而使待测试样的受载状态与其在X型支架中的实际受力状态一致。
进一步的，所述上端工装与待测试样和力学性能试验机的连接固定方法为：上端工装包括上底板、第一连接头和第二连接头；所述第一连接头和第二连接头分别为两个形状相同的T字型结构，包括横头和竖杆，所述竖杆的截面形状和尺寸与所述等直段的“中”字型的空腔匹配，以使两个竖杆插入待测试样中一部分等直段的“中”字型两个空腔中并与空腔壁粘合；第一连接头和第二连接头的横头相互连接固定；所述第一连接头和第二连接头的横头连接固定于上底板；所述上底板上设置有连接部，用于连接力学性能试验机的移动端接头。
进一步的，所述下端工装与所述待测试样和力学性能试验机的连接固定方法为：所述下端工装包括工装接头和下底板，所述工装接头的上端连接待测试样的接头段，下端固定在所述下底板上，所述下底板固定连接于所述力学试验机的底座固定端。
更进一步的，上述第一连接头和第二连接头分别通过涂在其竖杆表面的高强度结构胶粘于待测试样的等直段的“中”字型内腔面进行连接固定。
还进一步的，上述竖杆在待测试样的等直段的“中”字型内腔面内的粘结长度，计算方法为：设待测试样的最大设计载荷值为F，高强度结构胶的剪切强度为σS，第一连接头或第二连接头的竖杆的截面周长为P，那么最小粘接长度L满足以下关系
所述待测试样上的一部分等直段的长度不小于所述最小粘接长度L。
进一步的，上述第一连接头的横头与第二连接头的横头通过4个第一螺栓相互连接固定；所述第一连接头和第二连接头的横头通过4个第二螺栓与上底板连接固定；所述上底板上设置的用于连接力学性能试验机接头的连接部为4个第三螺栓；所述工装接头与所述接待测试样的接头段通过螺栓连接；所述工装接头和下底板通过螺栓连接；所述下底板通过多个第四螺栓与力学性能试验机底座连接固定；上述所有螺栓连接强度值均高于空心夹层X型支架单臂力学性能设计值。
本发明的空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法具体包括以下步骤：
S1、准备和调试力学性能试验机，确保系统工作正常；
S2、将上端工装、待测试样与下端工装相互连接、安装成一个整体，然后将上述整体放置在力学性能试验机底座上，并使上端工装、待测试样与下端工装的整体轴线与力学性能试验机加载轴线保持一致；
S3、调节力学性能试验机作动端缓慢向上端工装靠拢，并使上端工装与力学性能试验机接头间的间隙均匀；连接并固定下端工装和力学性能试验机底座固定端，再连接上端工装与力学性能试验机的作动端；
S4、驱动力学性能试验机作动端，向待测试样施加轴向拉伸载荷，直至达到待测试样的设计拉伸强度值；
S5、如果S4步骤中待测试样损坏，那么重复步骤S1-S3以更换新的待测试样，然后向待测试样施加轴向压缩载荷，直至达到待测试样的设计压缩强度值；如果S4步骤中待测试样没有损坏，则卸载后直接向待测试样施加轴向压缩载荷，直至达到待测试样的设计压缩强度值。
如果S5步骤中待测试样没有损坏，说明复合材料X型支架单臂力学性能满足设计拉伸和压缩强度要求；如果S4或S5步骤中待测试样损坏，则说明X型支架单臂力学性能不满足设计拉伸或压缩强度要求。
本发明的先进性在于：
1)本发明方法解决了空心夹层X型支架的接头段难以夹持和传载的难题。
2)本发明方法通过测试空心夹层X型支架单臂的力学性能来评估空心夹层X型支架的整体力学性能，降低了X型支架的设计成本和试验成本，缩减了设计周期。
3)本发明方法可以获得空心夹层X型支架单臂的拉伸和压缩强度。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1为本发明实施例空心夹层X型支架的结构示意图；
图2为本发明实施例空心夹层X型支架单臂试样的结构示意图；
图3为本发明实施例上端工装、待测试样与下端工装安装示意图；
图4为本发明实施例上端工装的结构示意图；
图5为本发明实施例第一连接头或第二连接头的结构示意图；
图6为本发明实施例中下端工装的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，首先定义X型支架的结构如图1所示，从交叉点处向外依次包括交叉段04、等直段03、过渡段02和接头段01，接头段01为平板形状接头，用于X型支架与燃料储箱连接端框连接；过渡段02、等直段03和交叉段04为X型支架的主体部分，由中间板和两侧的帽形结构粘结而成，中间板和两侧的帽形结构结合形成X型支架主体部分的“中”字型截面，交叉段04的截面特征为“中”字型截面交叉形成的空心结构；过渡段02为变截面尺寸的“中”字型结构，由等直段的“中”字型截面过渡到接头段的板状截面，连接等直段03和接头段01。然后再定义本发明的单臂为接头段01、过渡段02和一部分等直段03，如图2所示，即待测试样12。然后明确本发明的力学性能试验使用的设备包括：力学性能试验机和用于连接固定待测试样12的夹持装置；所述力学性能试验机包括可上下移动实现垂直加载作用力的作动端和底座固定端；所述夹持装置包括上端工装11和下端工装13；试验原理如下：将待测试样12连接固定于夹持装置的上端工装11和下端工装13之间，并且使固定后的待测试样12的等直段03的轴线垂直于上端工装11的顶面和下端工装13的底面(连接后的整体结构如图3所示)，力学性能试验机的作动端与上端工装11固定连接，固定端将下端工装13下端固定，然后通过力学性能试验机的作动端在垂直方向施加载荷，获取所述X型支架单臂试样的力学性能数据。
其中上端工装11与待测试样12和力学性能试验机的连接固定如图4所示，其方法为：上端工装11包括上底板110、第一连接头111和第二连接头112；所述第一连接头111和第二连接头112分别为两个形状相同的T字型结构，如图5所示，包括横头和竖杆117，所述竖杆117的截面形状和尺寸与所述等直段03的“中”字型031的空腔匹配，以使两个竖杆117插入待测试样12中一部分等直段03的“中”字型031两个空腔中，并通过涂在竖杆117表面的高强度结构胶粘于待测试样12的等直段03的“中”字型031内腔面进行连接固定，粘结长度下面将详述；第一连接头111和第二连接头112的横头相互连接固定；所述第一连接头111和第二连接头112的横头连接固定于上底板110；所述上底板110上设置有连接部，用于连接力学性能试验机的作动端接头。
其中下端工装13与所述待测试验12和力学性能试验机的连接固定方式如图6所示，方法为：所述下端工装13包括工装接头130和下底板131，所述工装接头130的上端连接待测试样12的接头段01，下端固定在所述下底板131上，所述下底板131固定连接于所述力学试验机的底座固定端。
上述竖杆117在待测试样12的等直段03的“中”字型031内腔面内的粘结长度，计算方法为：设待测试样12的最大设计载荷值为F，高强度结构胶的剪切强度为σS，第一连接头111或第二连接头112的竖杆117的截面周长为P，那么最小粘接长度L需要满足以下关系：
所述待测试样12上的一部分等直段03的长度不小于所述最小粘接长度L。
本实施例中的待测试样12的最大设计载荷值F为150kN，高强度结构胶的剪切强度σS为10MPa，竖杆117的截面周长为150mm，那么最小粘接长度L>100mm。
优选的，第一连接头111的横头与第二连接头112的横头通过4个M12的高强度螺栓113相互连接固定；所述第一连接头111和第二连接头112的横头通过4个M16的高强度螺栓114与上底板110连接固定；所述上底板110上设置的用于连接力学性能试验机接头的连接部为4个M20的高强度螺栓115；所述工装接头130与所述接待测试样12的接头段01通过8个M14的高强度螺栓连接；工装接头130和下底板131通过6个M16的高强度螺栓连接；所述下底板131通过6个M32的高强度螺栓132与力学性能试验机底座连接固定；上述螺栓的连接强度值高于空心夹层X型支架单臂力学性能设计值。
空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法的具体操作包括以下步骤：
S1、准备和调试力学性能试验机，确保系统工作正常；
S2、将上端工装11、待测试样12与下端工装13相互连接、安装成一个整体，然后将上述整体放置在力学性能试验机底座上，并使上端工装11、待测试样12与下端工装13的整体轴线与力学性能试验机加载轴线保持一致；
S3、调节力学性能试验机作动端缓慢向上端工装11靠拢，并使上端工装11与力学性能试验机接头间的间隙均匀；连接并固定下端工装13和力学性能试验机底座固定端，再连接上端工装11与力学性能试验机的作动端；
S4、驱动力学性能试验机作动端，向待测试样12施加轴向拉伸载荷，直至达到待测试样12的设计拉伸强度值；
本实施例中，待测试样12的轴向拉伸设计载荷值为150kN，加载速率设置为30kN/min；
S5、如果S4步骤中待测试样12损坏，那么重复步骤S1-S3以更换新的待测试样12，然后向待测试样12施加轴向压缩载荷，直至达到待测试样(12)的设计压缩强度值；如果S4步骤中待测试样12没有损坏，则卸载后直接向待测试样12施加轴向压缩载荷，直至达到待测试样(12)的设计压缩强度值；
本实施例中，待测试样12的轴向压缩设计载荷值为30kN，加载速率设置为10kN/min。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，其特征在于，
所述X型支架从交叉点处向外依次包括交叉段(04)、等直段(03)、过渡段(02)和接头段(01)，接头段(01)为平板形状接头，用于X型支架与燃料储箱连接端框连接；过渡段(02)、等直段(03)和交叉段(04)为X型支架的主体部分，由中间板和两侧的帽形结构粘结而成，中间板和两侧的帽形结构结合形成X型支架主体部分的“中”字型截面(031)，交叉段(04)的截面特征为“中”字型截面交叉形成的空心结构；过渡段(02)为变截面尺寸的“中”字型结构，由等直段的“中”字型截面过渡到接头段的板状截面，连接等直段(03)和接头段(01)；
所述单臂为接头段(01)、过渡段(02)和一部分等直段(03)，上述接头段(01)、过渡段(02)和一部分等直段(03)构成待测试样(12)；
所述力学性能试验使用的设备包括：力学性能试验机和用于连接固定待测试样(12)的夹持装置；所述力学性能试验机包括可上下移动实现垂直加载作用力的作动端和底座固定端；所述夹持装置包括上端工装(11)和下端工装(13)；
待测试样(12)连接固定于夹持装置的上端工装(11)和下端工装(13)之间；并且使固定后的待测试样(12)的等直段(03)轴线垂直于上端工装(11)的顶面和下端工装(13)的底面；
力学性能试验机的作动端与上端工装(11)固定连接，固定端将下端工装(13)下端固定，然后通过力学性能试验机的作动端在垂直方向施加载荷，获取所述X型支架单臂试样的力学性能数据。
2.如权利要求1所述的空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，其特征在于，
所述上端工装(11)与待测试样(12)和力学性能试验机的连接固定方法为：上端工装(11)包括上底板(110)、第一连接头(111)和第二连接头(112)；
所述第一连接头(111)和第二连接头(112)分别为两个形状相同的T字型结构，包括横头和竖杆(117)，所述竖杆(117)的截面形状和尺寸与所述等直段(03)的“中”字型(031)的空腔的截面相互适配，以使两个竖杆(117)插入待测试样(12)中一部分等直段(03)的“中”字型(031)两个空腔中并与空腔壁粘合；第一连接头(111)和第二连接头(112)的横头相互连接固定；所述第一连接头(111)和第二连接头(112)的横头连接固定于上底板(110)；
所述上底板(110)上设置有连接部，用于连接力学性能试验机的作动端接头。
3.如权利要求1所述的空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，其特征在于，
所述下端工装(13)与所述待测试样(12)和力学性能试验机的连接固定方法为：所述下端工装(13)包括工装接头(130)和下底板(131)，
所述工装接头(130)的上端连接待测试样(12)的接头段(01)，下端固定在所述下底板(131)上，所述下底板(131)固定连接于所述力学试验机的底座固定端。
4.如权利要求2所述的空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，其特征在于，所述第一连接头(111)和第二连接头(112)分别通过其竖杆(117)插入待测试样(12)的等直段(03)的“中”字型(031)中空部分内且接触面通过胶粘剂进行胶粘固定。
5.如权利要求4所述的空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，其特征在于，所述竖杆(117)在待测试样(12)的等直段(03)的“中”字型(031)内腔面内的粘结长度，计算方法为：设待测试样(12)的最大设计载荷值为F，高强度结构胶的剪切强度为σS，第一连接头(111)或第二连接头(112)的竖杆(117)的截面周长为P，那么最小粘接长度L满足以下关系：
所述待测试样(12)上的一部分等直段(03)的长度不小于所述最小粘接长度L。
6.如权利要求2和3所述的空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，其特征在于，所述第一连接头(111)的横头与第二连接头(112)的横头通过4个第一螺栓(113)相互连接固定；所述第一连接头(111)和第二连接头(112)的横头通过4个第二螺栓(114)与上底板(110)连接固定；所述上底板(110)上设置的用于连接力学性能试验机接头的连接部为4个第三螺栓(115)；所述工装接头(130)与所述接待测试样(12)的接头段(01)通过螺栓连接；所述工装接头(130)和下底板(131)通过螺栓连接；所述下底板(131)通过多个第四螺栓(132)与力学性能试验机底座连接固定；上述所有螺栓连接强度值均高于空心夹层X型支架单臂力学性能设计值。
7.如权利要求1所述的空心夹层X型支架单臂力学性能试验方法，其特征在于，它具体包括以下步骤：
S1、准备和调试力学性能试验机，确保系统工作正常；
S2、将上端工装(11)、待测试样(12)与下端工装(13)相互连接、安装成一个整体，然后将上述整体放置在力学性能试验机底座上，并使上端工装(11)、待测试样(12)与下端工装(13)的整体轴线与力学性能试验机加载轴线保持一致；
S3、调节力学性能试验机作动端向上端工装(11)靠拢，并使上端工装(11)与力学性能试验机接头间的间隙均匀；连接并固定下端工装(13)和力学性能试验机底座固定端，再连接上端工装(11)与力学性能试验机的作动端；
S4、驱动力学性能试验机作动端向待测试样(12)施加轴向拉伸载荷，直至达到待测试样(12)的设计拉伸强度值；
S5、如果S4步骤中待测试样(12)损坏，那么重复步骤S1-S3以更换新的待测试样(12)，然后向待测试样(12)施加轴向压缩载荷，直至达到待测试样(12)的设计压缩强度值；如果S4步骤中待测试样(12)没有损坏，则卸载后直接向待测试样(12)施加轴向压缩载荷，直至达到待测试样(12)的设计压缩强度值。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001235409A (ja) * 2000-02-25 2001-08-31 Shimadzu Corp 細線試料試験治具
CN105928785A (zh) * 2016-04-14 2016-09-07 大连理工大学 一种纯机械结构形式的金属板材拉压实验装置
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CN109612832A (zh) * 2019-01-24 2019-04-12 中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司 一种板状材料高速面内压缩装置

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