CN111220477A - 一种复合材料杆微屈服强度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合材料杆微屈服强度测量装置，涉及材料性能测试技术领域，采用位移传感器进行非接触长度测量，无磨损，探头对被测试样不施加机械外力，避免了接触式长度测量过程中人为操作的影响，长度测量精度优于0.1um，达到几十纳米量级，测量精度高；采用控温组件为整个测试系统提供稳定的热环境，把试样本身由于环境温度波动引起的热膨胀变形降到最低，将测量误差降到最低。本发明还提供一种复合材料杆微屈服强度测量方法，采用上述测试装置测量。本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置及方法，解决现有技术中粘接工艺及环境温度波动对测量结果产生影响的技术问题，提高了复合材料杆微屈服强度测量的精度。

Description

一种复合材料杆微屈服强度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及材料性能测试技术领域，具体涉及一种复合材料杆微屈服强度测量装置及方法。
背景技术
微屈服强度通常是用试样卸载后产生10-4～10-7残余形变时的应力值来表示，或用应力与应变的直线关系发生偏离时(在相同的残余形变容限下)的应力值来表示。当外加应力超过了材料真实弹性极限后，这种微量的塑性变形就可以被检测到，这种微应力下的塑性变形行为称为微屈服。10-7到10-4程度的永久变形对许多复合材料部件，如精密仪器部件和光学部件的性能有关键的影响，它能反映材料微塑性变形抗力的本质。微屈服强度是评价材料尺寸稳定性的一个十分重要的指标，精密仪器装配的拧紧力、粘合力等应力足以使零件产生微小变形，并且与配合零件(如钢轴、钢螺钉、钢轴承)在温度变化时膨胀系数的差别使原来的预紧力发生较大的变化，足以导致材料产生不可恢复的永久变形，配合精度、结构应力随之发生变化，导致仪器精度丧失。
目前，微屈服强度的测试方法尚不完善，远未达到标准化的程度，这严重制约了尺寸稳定性及尺寸稳定化处理工艺的研究。郑州大学邓高生等人在论文“短碳纤维增强2024铝基复合材料微屈服行为研究”中采用加载-卸载法进行微屈服强度测试，在MTS5105型电子拉伸机上进行，在试验前，首先粘贴应变片于试样标距部位，采用STR-B型多功能直流电阻测试仪测量试验过程中应变电阻，进而得到残余应变。反复进行等级加载、卸载，一直试验到应变片的残余应变超过规定的为应变为止。
但是，现有技术中，要求粘贴到试样上的每个应变片纵向均与试样轴线平行且位置一致，对粘接工艺要求极高，也就是说测量结果的准确度受粘接工艺影响很大，应变片粘接不规范会直接导致测量误差比较大，而且很难保证每个应变片的粘接一致性。另外，现有技术中测试环境也没有进行严格的温度控制，由于环境温度波动引起的材料热变形会直接影响试样残余应变量，导致测量误差比较大，无法满足微屈服强度的高精度测量需求。
鉴于此，有必要研究一种复合材料杆微屈服强度测量装置及方法，解决现有技术中粘接工艺及环境温度波动对测量结果产生影响的技术问题，提高了复合材料杆微屈服强度测量的精度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种复合材料杆微屈服强度测量装置及方法，解决现有技术中粘接工艺及环境温度波动对测量结果产生影响的技术问题，提高了复合材料杆微屈服强度测量的精度。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种复合材料杆微屈服强度测量装置，包括用于加载的电子万能试验机，装配有复合材料杆试样的长度测量系统；
所述长度测量系统包括设置于所述试样中上部的圆环形结构的引伸环支撑板，所述引伸环支撑板与所述试样通过树脂胶粘接固定，在所述引伸环支撑板的上表面固定引伸环，在所述引伸环的下表面沿圆周向均匀安装若干位移传感器；还包括设置于所述试样中下部的圆环形结构的引伸筒支撑板，所述引伸筒支撑板与所述试样通过树脂胶粘接固定，在所述引伸筒支撑板的上表面固定引伸筒；在所述引伸筒的上表面设有若干与所述位移传感器一一对应的凸台，所述位移传感器测量所述凸台的上表面到所述位移传感器的距离变化量用于表征所述试样的长度变化量；
所述长度测量系统还包括控温组件，用于提供稳定的热环境，所述控温组件包括加热筒、加热筒端盖、加热片、隔热垫及保温材料，所述加热筒固定于所述引伸筒支撑板上将所述引伸筒包围，所述加热筒不与所述引伸筒支撑板直接接触，中间通过隔热垫进行隔热，所述加热筒端盖固定于所述引伸环的上表面，所述加热筒端盖不与所述引伸环直接接触，中间通过隔热垫进行隔热，在所述加热筒的外表面、所述加热筒端盖的一个端面粘接所述加热片，所述保温材料包裹于所述加热筒和所述加热筒端盖的外表面；
所述试样的两端分别设有金属端盖，所述金属端盖与所述试样通过树脂胶粘接，用于将所述试样的端面封闭；测试时，所述长度测量系统置于所述电子万能试验机的底座上，在所述金属端盖上加载间接作用于所述试样。
进一步地，所述位移传感器采用电容式位移传感器，分辨率为4nm，绝对误差小于0.1um；所述引伸环的下表面通过研磨控制平面度误差小于0.005mm。
进一步地，所述位移传感器和所述凸台的数量均为4个，所述位移传感器按照90°间隔均布安装在所述引伸环的下表面。
进一步地，所述凸台的上表面通过研磨控制平面度误差小于0.001mm。
进一步地，所述引伸环支撑板、所述引伸筒支撑板、所述引伸环、所述引伸筒的材质均为殷钢，热膨胀系数为0.03×10-6/℃；
所述引伸环支撑板、所述引伸筒支撑板、所述引伸环、所述引伸筒及所述控温组件的中轴线共线。
进一步地，所述引伸环支撑板的内径为(80±0.5)mm，外径为112-116mm，厚度为8mm；所述引伸环的内径为92-96mm，外径为144-148mm，厚度为4mm；
所述引伸筒支撑板的内径为(80±0.5)mm，外径为144-148mm，厚度为8mm；所述引伸筒的内径为104-108mm，外径为144-148mm。
进一步地，粘接采用的树脂胶为J133环氧树脂胶。
进一步地，所述金属端盖通过研磨控制平面度和平行度误差均小于0.02mm，材质为304不锈钢、铝合金、钛合金中的任意一种；与所述试样粘接前对所述金属端盖的粘接面进行喷砂处理。
进一步地，所述保温材料的厚度为(20±1)mm，所述加热筒和所述加热筒端盖的材质为2A12铝合金，壁厚为(2±0.1)mm，表面进行染黑处理；所述隔热垫的材质为聚酰亚胺；所述控温组件控制所述试样在测试过程中处于(24±0.1)℃的恒温环境中。
本发明还提供了一种采用上述的复合材料杆微屈服强度测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
S1：制备复合材料杆试样，测量所述试样的原始长度L0，所述试样的横截面积S；
S2：完成所述试样与所述长度测量系统的装配，之后置于所述电子万能试验机的底座上，调整好位置；
S3：启动所述控温组件进行加热，对所述试样的测试区域进行高精度控温，使其温度稳定；
S4：开启所述位移传感器，热浸1h后，将所述位移传感器调零；
S5：开启所述电子万能试验机，采用压缩并逐级加载的方式，每次增量加载后进行卸载允许所述试样松弛，记录所有所述位移传感器的测量值，取平均值即为所述试样的长度变化值△L，在所述试样的长度残余变形△L/L0达到1×10-6时，记录此时的载荷值F，计算所述试样的微屈服强度σ＝F/S。
本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置及方法，与现有技术相比，有益效果在于：
1)非接触测量、误差小精度高
本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置，采用位移传感器进行非接触长度测量，例如电容式位移传感器，给其一个持续稳定的交流电，交流电压的振幅变化与电容到被测物体之间距离成正比，这种非接触式测量，无磨损，探头对被测物体不施加机械外力，可以避免接触式长度测量过程中人为操作的影响，这种方法的长度测量精度优于0.1um，达到几十纳米量级，测量精度高。
2)降低了环境温度对测量结果的影响
本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置，采用控温组件为整个测试系统提供稳定的热环境，例如可以控制试样测试区的温度维持在(24±0.1)℃，把试样本身由于环境温度波动引起的热膨胀变形降到最低，进而将测量误差降到最低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置的结构示意图；
图2是图1中长度测量系统的主视图；
图3是图1中长度测量系统的剖视图；
图4是图1中长度测量系统的局部剖切视图；
附图标记说明：1-长度测量系统；2-电子万能试验机；3-金属端头；4-试样；5-控温组件；6-位移传感器；7-保温材料；8-引伸环；9-引伸环支撑板；10-引伸筒；11-引伸筒支撑板；12-加热筒；13-隔热垫；14-加热筒端盖；15-加热片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
参加图1-4，为本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置的结构示意图，包括用于加载的电子万能试验机2，装配有复合材料杆试样4的长度测量系统1；
所述长度测量系统1包括设置于所述试样4中上部的圆环形结构的引伸环支撑板9，所述引伸环支撑板9与所述试样4通过树脂胶粘接固定，在所述引伸环支撑板9的上表面固定引伸环8，在所述引伸环8的下表面沿圆周向均匀安装若干位移传感器6；还包括设置于所述试样4中下部的圆环形结构的引伸筒支撑板11，所述引伸筒支撑板11与所述试样4通过树脂胶粘接固定，在所述引伸筒支撑板11的上表面固定引伸筒10；在所述引伸筒10的上表面设有若干与所述位移传感器6一一对应的凸台(图中未示出)，所述位移传感器6测量所述凸台的上表面到所述位移传感器6的距离变化量用于表征所述试样4的长度变化量；
所述长度测量系统1还包括控温组件5，用于提供稳定的热环境，所述控温组件5包括加热筒12、加热筒端盖14、加热片15、隔热垫13及保温材料7，所述加热筒12固定于所述引伸筒支撑板11上将所述引伸筒10包围，所述加热筒12不与所述引伸筒支撑板11直接接触，中间通过隔热垫13进行隔热，所述加热筒端盖14固定于所述引伸环8的上表面，所述加热筒端盖14不与所述引伸环8直接接触，中间通过隔热垫13进行隔热，在所述加热筒12的外表面、所述加热筒端盖14的一个端面粘接所述加热片15，所述保温材料7包裹于所述加热筒12和所述加热筒端盖14的外表面；
所述试样4的两端分别设有金属端盖3，所述金属端盖3与所述试样4通过树脂胶粘接，用于将所述试样4的端面封闭；测试时，所述长度测量系统1置于所述电子万能试验机2的底座上，在所述金属端盖3上加载间接作用于所述试样。
其中，所述位移传感器6可以采用电容式位移传感器，例如选用德国MICRO-EPSILON(米铱公司)产品，探头类型为CSH02FL-CRm1.4，产品编号为6610075，与探头相对应的控制器型号选用DL6530，分辨率为4nm，绝对误差优于0.1um，达到几十纳米量级，探头尺寸10.5mm×8mm×4mm，重量28g。
其中，所述引伸环8的下表面通过研磨控制平面度误差小于0.005mm，用以保证位移传感器6的安装精度，降低其装配应力。所述位移传感器6的数量可以根据实际情况进行设计，优选地，所述位移传感器6和所述凸台的数量均为4个，所述位移传感器6按照90°间隔均布安装在所述引伸环8的下表面，每个所述位移传感器6通过2个M2螺钉固定安装。并且，所述凸台的上表面通过研磨控制平面度误差小于0.001mm，用以保证所述位移传感器6的测量精度。
其中，所述引伸环支撑板9、所述引伸筒支撑板11、所述引伸环8、所述引伸筒10的材质均选择为殷钢，热膨胀系数为0.03×10-6/℃，一方面是殷钢材料便于修研，另一方面是殷钢具有超低的热膨胀系数，避免测量环境温度变化导致变形从而影响测量结果的精度。在装配中，所述引伸环支撑板9、所述引伸筒支撑板11、所述引伸环8、所述引伸筒10及所述控温组件5的中轴线共线。
对于尺寸设计，例如试样4的外径为80mm时，设计如下：
所述引伸环支撑板9的内径为(80±0.5)mm，外径为112-116mm(更优选为114mm)，厚度为8mm；
所述引伸环8的内径为92-96mm(更优选为94mm)，外径为144-148mm(更优选为146mm)，厚度为4mm；
所述引伸筒支撑板11的内径为(80±0.5)mm，外径为144-148mm(更优选为146mm)，厚度为8mm；
所述引伸筒10的内径为104-108mm(更优选为106mm)，外径为144-148mm(更优选为146mm)。
其中，所有的粘接采用的树脂胶均可选择为J133环氧树脂胶，为常用的航空航天用结构胶。
其中，所述金属端盖3通过研磨控制平面度和平行度误差均小于0.02mm，材质可以为304不锈钢、铝合金、钛合金中的任意一种；与所述试样4粘接前对所述金属端盖3的粘接面进行喷砂处理，用以提高粘接强度。
其中，所述保温材料7的厚度可设计为(20±1)mm，所述加热筒12和所述加热筒端盖14的材质选择为2A12铝合金，壁厚为(2±0.1)mm，表面进行染黑处理；所述隔热垫13的材质选择为聚酰亚胺；所述控温组件5可以控制所述试样4在测试过程中处于恒温环境中，例如(24±0.1)℃。
另外，本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置中各个的组件的安装固定方式，未在上面明确说明的，均可采用螺钉固定安装，也可采用其他合理的方式进行固定。所述电子万能试验机2可选择为长春机械科学研究院的D系列微机控制电子万能试验机，采用了新型TMC数字测量控制器，具有高精度、高刚度、高分辨率、测试范围大、运行稳定可靠等特点。
本发明还提供了一种采用上述的复合材料杆微屈服强度测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
S1：制备复合材料杆试样4，测量所述试样的原始长度L0，所述试样4的横截面积S；
S2：完成所述试样4与所述长度测量系统1的装配，之后置于所述电子万能试验机2的底座上，调整好位置；
S3：启动所述控温组件5进行加热，对所述试样4的测试区域进行高精度控温，使其温度稳定；
S4：开启所述位移传感器6，热浸1h后，将所述位移传感器6调零；
S5：开启所述电子万能试验机2，采用压缩并逐级加载的方式，每次增量加载后进行卸载允许所述试样4松弛，记录所有所述位移传感器6的测量值，取平均值即为所述试样4的长度变化值△L，在所述试样4的长度残余变形△L/L0达到1×10-6时，记录此时的载荷值F，计算所述试样4的微屈服强度σ＝F/S。
本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置及方法，与现有技术相比，有益效果在于：
1)非接触测量、误差小精度高
本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置，采用位移传感器进行非接触长度测量，例如电容式位移传感器，给其一个持续稳定的交流电，交流电压的振幅变化与电容到被测物体之间距离成正比，这种非接触式测量，无磨损，探头对被测物体不施加机械外力，可以避免接触式长度测量过程中人为操作的影响，这种方法的长度测量精度优于0.1um，达到几十纳米量级，测量精度高。
2)降低了环境温度对测量结果的影响
本发明的复合材料杆微屈服强度测量装置，采用控温组件为整个测试系统提供稳定的热环境，例如可以控制试样测试区的温度维持在(24±0.1)℃，把试样本身由于环境温度波动引起的热膨胀变形降到最低，进而将测量误差降到最低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，包括用于加载的电子万能试验机，装配有复合材料杆试样的长度测量系统；
所述长度测量系统包括设置于所述试样中上部的圆环形结构的引伸环支撑板，所述引伸环支撑板与所述试样通过树脂胶粘接固定，在所述引伸环支撑板的上表面固定引伸环，在所述引伸环的下表面沿圆周向均匀安装若干位移传感器；还包括设置于所述试样中下部的圆环形结构的引伸筒支撑板，所述引伸筒支撑板与所述试样通过树脂胶粘接固定，在所述引伸筒支撑板的上表面固定引伸筒；在所述引伸筒的上表面设有若干与所述位移传感器一一对应的凸台，所述位移传感器测量所述凸台的上表面到所述位移传感器的距离变化量用于表征所述试样的长度变化量；
所述长度测量系统还包括控温组件，用于提供稳定的热环境，所述控温组件包括加热筒、加热筒端盖、加热片、隔热垫及保温材料，所述加热筒固定于所述引伸筒支撑板上将所述引伸筒包围，所述加热筒不与所述引伸筒支撑板直接接触，中间通过隔热垫进行隔热，所述加热筒端盖固定于所述引伸环的上表面，所述加热筒端盖不与所述引伸环直接接触，中间通过隔热垫进行隔热，在所述加热筒的外表面、所述加热筒端盖的一个端面粘接所述加热片，所述保温材料包裹于所述加热筒和所述加热筒端盖的外表面；
所述试样的两端分别设有金属端盖，所述金属端盖与所述试样通过树脂胶粘接，用于将所述试样的端面封闭；测试时，所述长度测量系统置于所述电子万能试验机的底座上，在所述金属端盖上加载间接作用于所述试样。
2.根据权利要求1所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，所述位移传感器采用电容式位移传感器，分辨率为4nm，绝对误差小于0.1um；所述引伸环的下表面通过研磨控制平面度误差小于0.005mm。
3.根据权利要求1所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，所述位移传感器和所述凸台的数量均为4个，所述位移传感器按照90°间隔均布安装在所述引伸环的下表面。
4.根据权利要求1所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，所述凸台的上表面通过研磨控制平面度误差小于0.001mm。
5.根据权利要求1所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，所述引伸环支撑板、所述引伸筒支撑板、所述引伸环、所述引伸筒的材质均为殷钢，热膨胀系数为0.03×10-6/℃；
所述引伸环支撑板、所述引伸筒支撑板、所述引伸环、所述引伸筒及所述控温组件的中轴线共线。
6.根据权利要求5所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，所述引伸环支撑板的内径为(80±0.5)mm，外径为112-116mm，厚度为8mm；所述引伸环的内径为92-96mm，外径为144-148mm，厚度为4mm；
所述引伸筒支撑板的内径为(80±0.5)mm，外径为144-148mm，厚度为8mm；所述引伸筒的内径为104-108mm，外径为144-148mm。
7.根据权利要求1所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，粘接采用的树脂胶为J133环氧树脂胶。
8.根据权利要求1所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，所述金属端盖通过研磨控制平面度和平行度误差均小于0.02mm，材质为304不锈钢、铝合金、钛合金中的任意一种；与所述试样粘接前对所述金属端盖的粘接面进行喷砂处理。
9.根据权利要求1所述的复合材料杆微屈服强度测量装置，其特征在于，所述保温材料的厚度为(20±1)mm，所述加热筒和所述加热筒端盖的材质为2A12铝合金，壁厚为(2±0.1)mm，表面进行染黑处理；所述隔热垫的材质为聚酰亚胺；所述控温组件控制所述试样在测试过程中处于(24±0.1)℃的恒温环境中。
10.一种采用权利要求1-9任意一项所述的复合材料杆微屈服强度测量装置进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备复合材料杆试样，测量所述试样的原始长度L0，所述试样的横截面积S；
S2：完成所述试样与所述长度测量系统的装配，之后置于所述电子万能试验机的底座上，调整好位置；
S3：启动所述控温组件进行加热，对所述试样的测试区域进行高精度控温，使其温度稳定；
S4：开启所述位移传感器，热浸1h后，将所述位移传感器调零；
S5：开启所述电子万能试验机，采用压缩并逐级加载的方式，每次增量加载后进行卸载允许所述试样松弛，记录所有所述位移传感器的测量值，取平均值即为所述试样的长度变化值△L，在所述试样的长度残余变形△L/L0达到1×10-6时，记录此时的载荷值F，计算所述试样的微屈服强度σ＝F/S。
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