CN111272568B - 一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置及方法 - Google Patents

一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于力学性能研究技术领域，提供了一种拉伸‑剪切和拉伸‑扭转耦合效应测量装置及方法，本发明装置包括试验架(1)、连接装置(2)、加载装置(4)和变形测量装置(5)，连接装置包括上端夹具(21)和下端夹具(22)，试验架(1)上设置有连接试验架架体和上端夹具(21)的连接圆盘(12)，上端夹具(21)将待测试验件一端连接在试验架架体上，下端夹具(22)连接待测试验件的另一端和加载装置。本发明装置具有结构简单、易于制作、操作方便、能够实现高精度测量复合材料结构拉伸‑剪切和拉伸‑扭转耦合效应的优点。

Description

一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置及方法
技术领域
本发明总体地涉及力学性能研究技术领域，具体地涉及一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置及方法。
背景技术
复合材料具备比强度高、比刚度高、性能可设计、易于整体成形的优点，被越来越广泛地应用于飞机、运载火箭、航天器和卫星等结构上。复合材料的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应可以用于设计多种具有不同耦合效应的自适应结构，如弯曲-扭转耦合自适应结构、拉伸-扭转耦合自适应结构等。这些自适应耦合结构在倾转旋翼机叶片、固定翼飞机机翼、风力发电机叶片等结构上有着广泛的应用前景，能显著提升上述结构的综合力学性能。
目前，关于复合材料的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应的验证方法仅局限于理论推导与数值仿真，而一般拉伸试验中使用的电子万能拉伸试验机，其加载方式完全限制了试验件的横向变形，所以并不能满足相关耦合效应试验验证的需求，导致复合材料结构的耦合效应尚无试验方法来精确测量。
现有技术中拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应的试验测量的主要缺陷在于：(1)待测试验件在垂直于加载方向上无法自由变形，难以确保试验件结构的剪切变形或扭转变形不受限制；(2)待测试验件变形后拉力的方向无法保持不变，难以确保试验件结构的加载不受变形的影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置及方法，该装置结构简单、易于制作、操作方便、能够实现复合材料结构拉伸-剪切耦合效应的高精度测量。
本发明的技术方案是，一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，它包括试验架、加载装置和连接装置；所述试验架用于固定和支撑所述连接装置、待测试验件和加载装置，并使连接后的待测试验件和加载装置自由悬空；所述连接装置包括上下两部分，上端部分用于将待测试验件的一端连接在所述试验架上，下端部分连接待测试验件与加载装置，以使待测试验件一端固定于试验架上，另一端与加载装置连接，从而实现加载装置对待测试验件施加作用力；所述加载装置包括连接杆和砝码托盘；所述连接杆与所述连接装置的下端部分固定连接，所述砝码托盘连接在连接杆的另一端，用于加载砝码，以用于为待测试验件施加向下的拉力。
进一步的，本发明装置还包括变形测量装置，所述变形测量装置用于分析和计算待测试验件在加载和卸载过程中的变形。
进一步的，上述试验架包括试验架架体和连接圆盘；所述试验架架体为多根立柱连接上表面圆环组成的支撑结构，立柱的长度大于待测试验件与加载装置的长度之和以使连接后的待测试验件与加载装置整体悬空；所述试验架架体的上表面圆环上有穿过圆心连接圆环的横杆，所述横杆中心位置设置有三个通孔，圆心位置的第一通孔用于与连接装置连接，两边的两个第二通孔用于连接所述连接圆盘；所述试验架架体的多根立柱之间还间隔设置有横梁，用于增强试验架架体的稳定性；所述连接圆盘为圆盘外连接有圆环的结构，圆盘与圆环之间空隙形成滑槽，所述滑槽与圆盘圆心之间的距离与试验架架体上表面横杆上的第二通孔与第一通孔之间的距离相同，以通过尺寸匹配的螺钉螺母通过横杆上的第二通孔和滑槽将试验架架体和连接圆盘连接，转动连接圆盘使螺钉螺母在滑槽内转动以实现连接圆盘下方的连接装置及待测试验件与试验架活动连接；所述连接圆盘的圆盘中心有中心通孔，与试验架架体上表面横杆上的第一通孔位置对应，用于使连接件穿过与连接装置连接。
更一步的，上述连接装置包括上端夹具和下端夹具；所述上端夹具和下端夹具均呈U型，上端夹具用于将待测试验件固定在试验架架体上表面的横杆中间；下端夹具用于连接所述待测试验件和加载装置；所述上端夹具的U型底部中间有第三通孔，用于与连接圆盘和试验架架体上表面的横杆连接；所述上端夹具U型两个侧边上分别设有在同一轴线上的第四通孔，用于连接待测试验件；所述下端夹具的U型底部有第五通孔，用于连接加载装置的连接杆；所述下端夹具的U型两个侧边上分别设有在同一轴线上的第六通孔，用于连接待测试验件。
还进一步的，上述连接装置还包括夹块；所述夹块为方形结构，其表面有位于中心位置的第七通孔和沿中心对称设置的多个第八通孔；所述夹块两块作为一组使用，分别用于设置在所述上端夹具和/或下端夹具的U型侧边的外侧和内侧，以夹持待测试验件和U型的一个侧边；所述夹块表面的第七通孔与上端夹具U型侧边上的第四通孔和/或下端夹具的第六通孔的位置对应，用于供连接上端夹具与待测试验件和/或下端夹具与待测试验件的连接件穿过；所述第八通孔位于待测试验件与上端夹具和/或下端夹具连接位置之外，紧固件穿过两块夹块对应位置的第八通孔将两块夹块连接，以将夹持的待测试验件与U型的一个侧边紧固。
还进一步的，上述变形测量装置包括CCD数字相机、相机支架和数据分析处理软件；所述CCD相机从试验架架体侧面采集待测试验件试验状态数据；所述相机支架用于将CCD相机支撑在合适高度和位置，并保持稳定；所述数据分析处理软件用于对CCD相机获得的待测试验件试验数据进行计算和分析。
还进一步的，上述试验架、连接装置和连接杆均为金属材料制作。
还进一步的，述变形测量装置还包括标靶，所述标靶由直杆和矩形靶纸构成，直杆与靶纸固连，标靶的目的一方面将层合板的扭转变形转化为标靶的横向位移以便于相机的拍照测量，另一方面是可以根据试验需求改变标靶的臂长，从而将待测的标靶位移放大以提高测量精度。
本发明同时提供了一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量方法，它使用上述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应装置，过程如下：利用连接装置将待测试验件一端固定在试验架上，将待测试验件的另一端与连接装置、连接装置与加载装置进行连接；然后通过使加载装置施加作用力，测量待测试验件在加载作用力过程中的拉伸-剪切变形。
进一步的，当测量材料的拉伸-剪切耦合效应时，上述测量方法的具体过程分为以下步骤：
S1：待测试验件安装：在复合材料板材上端的两侧和下端的两侧各对称固连一块铝块，并在铝块与复合材料板材结合处的中心位置设置一个通孔，得到两端各有两块铝块对称固连且有通孔的待测试验件；利用螺钉依次穿过夹块的第七通孔、上端夹具的一个侧边第四通孔、待测试验件的上端通孔、另一夹块的第七通孔、上端夹具的另一个侧边第四通孔，将待测试验件的上端与上端夹具及夹块连接固定，并通过连接并紧固两块夹块上的第八通孔使待测试验件与上端夹具的连接被夹紧；然后采用同样的操作将下端夹具与待测试验件的另一端连接；
S2：使螺钉穿过连接圆盘的滑槽和试验架架体上表面横杆上的第二通孔将连接圆盘连接在试验架架体上，再通过螺钉依次穿过试验架架体上表面横杆上的第一通孔、连接圆盘的圆心通孔、上端夹具的第三通孔将上端夹具与试验架连接；用螺钉通过下端夹具上的第五通孔与连接杆一端相连接，连接杆的另一端连接砝码盘，待测试验件状态设置完成；
S3：CCD相机的标定及数据采集：在待测试验件的测量区域内设置点状标志物，随后打开数据分析处理软件，检测并调整CCD相机的位置，以使待测试验件的测量区域处于相机视觉框的中心，采集待测试验件的测量区域内点状标志物的位置及其形成的散斑图像；
S4：试验加载与完成：依次将砝码放置在砝码托盘上以作拉力，对每一次加载的全过程同步采集待测试验件的测量区域内点状标志物的位置及其形成的散斑图像；
S5：结果数据处理与分析：利用数据分析处理软件对加载前后待测试验件的测量区域内点状标志物的位置及其形成的散斑图像进行相关性计算，通过搜索和迭代算法识别物体变形前后图像中同一特征灰度块的位移，利用计算机匹配到最合理的面内位移变形量，从而建立与物体变形之间的联系，最终获得该物体的变形等信息，得到待测试验件在不同拉力作用下的剪切变形。
进一步的，当测量材料的拉伸-扭转耦合效应时，上述测量方法的具体过程分为以下步骤：
S1*：待测试验件安装：在复合材料板材上端的两侧和下端的两侧各对称固连一块铝块，并在铝块与复合材料板材结合处的中心位置设置一个通孔，得到两端各有两块铝块对称固连且有通孔的待测试验件；利用螺钉依次穿过夹块的第七通孔、上端夹具的一个侧边第四通孔、待测试验件的上端通孔、另一夹块的第七通孔、上端夹具的另一个侧边第四通孔，将待测试验件的上端与上端夹具及夹块连接固定，并通过连接并紧固两块夹块上的第八通孔使待测试验件与上端夹具的连接被夹紧；然后采用同样的操作将下端夹具与待测试验件的另一端连接；
S2*：使螺钉穿过连接圆盘的滑槽和试验架架体上表面横杆上的第二通孔将连接圆盘连接在试验架架体上，再通过螺钉依次穿过试验架架体上表面横杆上的第一通孔、连接圆盘的圆心通孔、上端夹具的第三通孔将上端夹具与试验架连接；用螺钉通过下端夹具上的第五通孔与连接杆一端相连接，连接杆的另一端连接砝码盘，待测试验件状态设置完成；
S3*：标靶的安装及数据采集：将标靶调至合适位置，并使其与试验件和下端夹具连接的上端面固连，固连方法可采用胶粘或磁吸；随后打开数据分析处理软件，检测并调整CCD相机的位置，以使待测试验件的测量区域处于相机视觉框的中心，采集标靶的位置及图像；
S4*：试验加载与完成：依次将砝码放置在砝码托盘上以作拉力，对每一次加载(或卸载)的全过程同步采集转动后稳定的标靶位置及图像；
S5*：结果数据处理与分析：利用数据分析处理软件对加载前后标靶的位置进行相关性计算，通过搜索和迭代算法识别标靶位移前后图像中各灰度块的位移，从而建立与物体变形之间的联系，最终获得该物体的扭转变形等信息，得到待测试验件在不同拉力作用下的扭转变形。
本发明的连接装置用于连接试验架和待测试验件、连接待测试验件和加载装置；加载装置通过增减砝码对试验件进行加载和卸载；变形测量装置通过数字图像相关方法分析和计算试验件在加载和卸载过程中的变形。
本发明为复合材料层合板试件设计用于固定两端的金属夹具、砝码托盘及试验平台，通过利用CCD相机建立数字图像测量装置并测量面内变形，实现层合板试件一端固支、另一端在拉力作用下自由变形并能高精度测量此变形量的目的。
采用本发明可以达到以下技术效果：
(1)连接圆盘上的滑槽设计不仅保证了待测试验件与试验架的牢固连接，还能根据实际测量需求转动连接圆盘调节待测试验件的方向。
(2)上端夹具和下端夹具，一方面使待测试验件上端受固定端约束得到了保证，另一方面通过悬挂砝码的方式增减载荷实现了在加载(或卸载)过程中试验件的自由变形。
(3)采用CCD相机数字图像测量装置是是将待测试验件待测区域各点变形前后的位置进行匹配对比，在一定程度上减小由于试验件晃动等因素引起的误差，提高了测量精度：数字图像测量装置是以物体变形图像对应的灰度分布为信息载体，对变形前后所采集的物体表面的两幅散斑图像进行相关性计算，通过搜索和迭代算法识别物体变形前后图像中同一特征灰度块的位移，而不是某个点的位移，因此相对于以往测量某一个点或某几个点位移的方法，在一定程度上减小了由于试验件晃动等因素引起的误差。
本发明的先进性在于：
(1)本发明的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置不仅适用于拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合层合板，还能广泛应用在类似上端固支、下端自由变形的具有其他耦合效应的试验件。
(2)本发明的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置操作方便、成本低、测量精度高的特点。
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为本发明实施例中本发明装置测量拉伸-剪切耦合效应时的结构和部件连接状态示意图；
图2为本发明实施例中本发明装置测量拉伸-扭转耦合效应测量时的结构和部件连接状态示意图；
图3为本发明实施例中试验架架体的结构示意图；
图4为本发明实施例中试验架的连接圆盘的结构示意图；
图5为本发明实施例中上端夹具的正面示意图；
图6为本发明实施例中试验架架体、连接圆盘与上端夹具的连接关系示意图；
图7为本发明实施例中下端夹具的正剖面示意图；
图8为本发明实施例中下端夹具的实物结构示意图；
图9为本发明实施例中夹块的结构示意图；
图10为本发明实施例中待测试验件固定于试验架上的连接状态示意图；
图11为本发明实施例中加载装置的结构示意图；
图12为本发明实施例中下端夹具连接待测试验件和加载装置的状态示意图。
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
一种复合材料拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，其整体结构如图1所示，包括试验架1，加载装置4、以及变形测量装置5；从功能上，测量装置由加载装置和变形测量装置两部分组成，其中加载装置主要包括：试验架1、加载装置4、以及连接试验架1、待测试验件和加载装置4的连接装置2，进一步从连接关系上看，连接装置2包括上下两部分，上部分连接试验架1和待测试验件，下部分连接待测试验件和加载装置4；加载装置4包括连接杆和砝码托盘；所述连接杆与所述连接装置的下端部分固定连接，所述砝码托盘连接在连接杆的另一端，用于加载砝码，以用于为待测试验件施加向下的拉力；变形测量装置位于加载装置外，主要用于获得加载过程中的试验数据；各部分具体设计分别阐述如下：
D1试验架1的设计
本发明的试验架包括试验架架体和连接圆盘12两部分。
试验架架体的具体结构见图3，其中试验架架体的上下面分别是圆形和正方形且上下两面由四个立柱支撑，在立柱的上半部分有两根横杆分别固定在试验架的前后两端以提高稳定性，而左右两端不设置横梁是便于CCD相机的放置。过试验架上端圆心有一根横杆固连在试验架架体上端，该横杆中间有三个没有螺纹的通孔，其中最中间的过圆心的孔111用于固定连接装置的上端部分，而两边对称的两个孔112的作用是能够利用螺钉将试验架架体和连接圆盘的滑槽121连接，可以通过转动连接圆盘的角度来实现连接装置上端的方向改变，即能够以任意角度摆放试验件以便于测量。
连接圆盘12的设计如图4所示，可以看出，其中心的圆孔用于连接试验架架体上的横梁和上端夹具，圆盘与圆环之间的空隙形成滑槽121，两个螺钉分别穿过试验架架体横杆上的两边的通孔112和滑槽121，将连接圆盘12连接在试验架架体横梁上，因为滑槽的非固定连接，可以沿滑槽121转动连接圆盘12，从而使连接圆盘下端的上端夹具及其连接的待测试验件一起转动，直至待测试验件在试验架架体下转至满意的数据采集角度。
D2连接装置2的设计
连接装置分三部分：上端夹具21、下端夹具22和夹块23。
上端夹具21的正面示意图如图5所示，夹具呈倒U形，其顶端中间有一个带螺纹的第三通孔211，其目的是将连接圆盘和上端夹具相对固定，夹具两个侧边的下半部分中心有两个轴线在一条水平线上的第四通孔212，该通孔不带螺纹，其目的是通过螺钉和两个金属夹块23将待测试验件和上端夹具连接。试验架1的试验架架体、连接圆盘12与上端夹具21的连接关系如图6所示。
下端夹具22的正面剖视图如图7所示，夹具呈正U行，为了更便于理解，同时提供了下端夹具22的实物示意图，如图8所示，同上端夹具一样，该夹具左右两侧边分别有两个不带螺纹的第六通孔214，目的是利用夹块将待测试验件下端与下端夹具的侧边相对固定，在夹具下端靠右侧有一个带螺纹的第五通孔213，其目的是连接加载装置4的金属杆41和砝码托盘42，其具体位置大致与待测试验件中心轴线呈一条竖直线。
夹块23的结构示意如图9所示，上设置有位于中心位置的第七通孔215和边缘位置的多个第八通孔216，中心的第七通孔215与下端夹具22或上端夹具21的U型侧边通孔对应，用于连接待测试验件，边缘的第八通孔个数为4个，利用四个螺钉将试验件夹紧(该四个螺钉不穿过待测试验件，从待测试验件两侧夹紧)，这样待试验件上端变成了与夹具固连，即各向位移和扭转变形为零。待测试验件固定于试验架上的连接状态如图10所示。
D3加载装置4的设计
加载装置4的结构示意图如图11所示，包括连接杆41和砝码托盘42，金属连接杆41的上端与下端夹具22的第五通孔213通过螺钉连接，砝码托盘42连接属连接杆41的下端，将砝码挂在砝码托盘上以提供拉力。
结合上面的下端夹具22阐述，下端夹具连接待测试验件和加载装置的状态示意如图12所示，结合图10和图12，加上本发明测量装置，即成为图1所示的整体测量装置，可以看出这种上下夹具的设计特点在于能够保证试验件上端受到固定约束，下端在不同拉力作用下产生自由变形，而不同于以往的上下均固连的试验机。
另外，进行测量时，对复合材料试验件构型也有简单的设计要求：它由复合材料层合板31和四个铝块32构成，四个铝块分别对称固连在层合板上下两端的左右两侧，并在上下两端打有不带螺纹的通孔。铝块的目的一方面是方便试验件的安装，另一方面也是对层合板的保护，因为若直接将层合板打孔然后固定在夹具上，根据圣维南原理，会产生集中应力对试验件造成损坏并且不好计算试验段的起始位置，因此采用此构型。
D4变形测量装置5的设计
变形测量装置5包括CCD数字相机51、相机支架52、数据分析处理软件53，所述CCD相机51从试验架架体侧面采集待测试验件试验状态数据；所述相机支架52用于将CCD相机51支撑在合适位置和高度，并保持稳定；所述数据分析处理软件53用于对CCD相机51获得的待测试验件试验数据进行计算和分析；这些部件组成的变形测量装置用于测量拉伸-剪切耦合效应。当测量拉伸-扭转耦合效应时，还包括标靶54，所述标靶54由直杆和矩形靶纸构成，直杆与靶纸固连。
实施例2
使用本发明的装置进行复合材料板拉伸-剪切耦合效应测量的具体包括如下：
首先，完成待测试验件的安装固定，完成CCD相机与数据采集装置的连接与调试；
其次，完成待测试验件试验区域的标定，具体方法如下：将复合材料层合板试验件的试验区域喷涂白色点状标志物，使得该区域相间相见布满白点以作为采集位移信息的测量点，此时的各测量点的位置信息及其形成的散斑图像作为试验件静态特性指标；然后，打开变形测量装置5中的CCD相机和数据采集装置，调试CCD相机的位置，使得待测试验件的上述测量点形成的散斑图像处在数据采集装置的中心位置，完成相机与试验区域的对准；
然后在合适的加载范围内进行通过添加砝码进行待测试验件的加载，同步记录待测试验件变形过程中上述各测量点的位置及其形成的散斑图像，待测试验件变形过程中各测量点的位置及其形成的散斑图像为试验件动态特性指标；每次加载(或卸载)后采集待测试验件表面的动态特性指标作为测量数据；
根据对比变形前后各测量点的位置及其形成的散斑图像，利用计算机匹配到最合理的面内位移变形量，得到力或载荷与变形或位移的关系。
可以看出，根据对比变形前后各测量点的位置，以待测试验件变形过程中各测量点形成的图像对应的灰度分布为信息载体，对变形前后所采集的物体表面的两幅散斑图像进行相关性计算，通过搜索和迭代算法识别物体变形前后图像中同一特征灰度块的位移，利用计算机匹配到最合理的面内位移变形量，从而建立与物体变形之间的联系，最终获得该物体的变形等信息，得到力或载荷与变形或位移的关系。
实施例3
一种复合材料拉伸-扭转耦合效应测量方法，其整体结构如图2所示，其变形测量装置还包括标靶54，所述标靶54由直杆和矩形靶纸构成，直杆与靶纸固连，用于测量拉伸-扭转耦合效应。
具体步骤包括如下：
首先，完成待测试验件的安装固定，完成CCD相机与数据采集装置的连接与调试；
其次，完成标靶的安装及数据采集，具体方法如下：
将标靶调至合适位置，并使其与试验件和下端夹具连接的上端面固连，固连方法可采用胶粘或磁吸；随后打开数据分析处理软件，检测并调整CCD相机的位置，本实施例中采用图2的位置采集标靶的位置及图像，以使待测试验件的测量区域处于相机视觉框的中心，完成相机与试验区域的对准；
然后在合适的加载范围内进行通过添加砝码进行待测试验件的加载，同步记录待测试验件变形过程中的标靶位置及图像，待测试验件变形过程中标靶的位置及图像为试验件动态特性指标；每次加载(或卸载)后采集待测试验件表面的动态特性指标作为测量数据；
根据对比变形前后标靶位置及图像，利用计算机匹配到最合理的面内位移变形量，得到力或载荷与变形或位移的关系。
可以看出，根据对比变形前后标靶位置及图像，利用数据分析处理软件对加载前后标靶的位置进行相关性计算，通过搜索和迭代算法识别标靶位移前后图像中各灰度块的位移，从而建立与物体变形之间的联系，最终获得该物体的扭转变形等信息，得到待测试验件在不同拉力作用下的扭转变形。
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 (8)

1.一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，其特征在于，它包括试验架（1）、加载装置（4）和连接装置（2）；
所述试验架（1）用于固定和支撑所述连接装置（2）、待测试验件和加载装置（4），并使连接后的待测试验件和加载装置（4）自由悬空；
所述连接装置（2）包括上下两部分，上端部分用于将待测试验件的一端连接在所述试验架（1）上，下端部分连接待测试验件与加载装置（4），以使待测试验件一端固定于试验架（1）上，另一端与加载装置（4）连接，从而实现加载装置（4）对待测试验件施加作用力；
所述加载装置（4）包括连接杆（41）和砝码托盘（42）；所述连接杆（41）与所述连接装置（2）的下端部分固定连接，所述砝码托盘（42）连接在连接杆（41）的另一端，用于加载砝码，以用于为待测试验件施加向下的拉力；
还包括变形测量装置（5），所述变形测量装置（5）用于分析和计算待测试验件在加载和卸载过程中的变形；
所述试验架（1）包括试验架架体和连接圆盘（12）；
所述试验架架体为多根立柱连接上表面圆环组成的支撑结构，立柱的长度大于待测试验件与加载装置的长度之和，以使连接后的待测试验件与加载装置整体悬空；
所述试验架架体的上表面圆环上有穿过圆心连接圆环的横杆，所述横杆中心位置设置有三个通孔，圆心位置的第一通孔（111）用于与连接装置（2）连接，两边的两个第二通孔（112）用于连接所述连接圆盘（12）；所述试验架架体的多根立柱之间还间隔设置有横梁（13），用于增强试验架架体的稳定性；
所述连接圆盘（12）为圆盘外连接有圆环的结构，圆盘与圆环之间空隙形成滑槽（121），所述滑槽（121）与圆盘圆心之间的距离和试验架架体上表面横杆上的第二通孔（112）与第一通孔（111）之间的距离相同，以通过尺寸匹配的螺钉螺母经横杆上的第二通孔（112）和滑槽（121）将试验架架体和连接圆盘（12）连接，转动连接圆盘（12）使螺钉螺母在滑槽（121）内转动以实现连接圆盘（12）下方的连接装置（2）及待测试验件在试验架（1）上活动连接；
所述连接圆盘（12）的圆盘中心有中心通孔，与试验架架体上表面横杆上的第一通孔（111）位置对应，用于使连接件穿过与连接装置（2）连接。
2.如权利要求1所述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，其特征在于，所述连接装置（2）包括上端夹具（21）和下端夹具（22）；
所述上端夹具（21）和下端夹具（22）均呈U型，上端夹具（21）用于将待测试验件固定在试验架架体上表面的横杆中间；下端夹具（22）用于连接所述待测试验件和加载装置；
所述上端夹具（21）的U型底部中间有第三通孔（211），用于连接圆盘（12）和试验架架体上表面的横杆；所述上端夹具（21）U型两个侧边上分别设有在同一轴线上的第四通孔（212），用于连接待测试验件；
所述下端夹具（22）的U型底部有第五通孔（213），用于连接加载装置（4）的连接杆（41）；所述下端夹具（22）的U型两个侧边上分别设有在同一轴线上的第六通孔（214），用于连接待测试验件。
3.如权利要求2所述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，其特征在于，所述连接装置（2）还包括夹块（23）；
所述夹块（23）为方形结构，其表面有位于中心位置的第七通孔（215）和沿中心对称设置的多个第八通孔（216）；
所述夹块（23）每两块作为一组使用，分别用于设置在所述上端夹具（21）和/或下端夹具（22）的U型侧边的外侧和内侧，以夹持待测试验件和U型的一个侧边；
所述夹块（23）表面的第七通孔（215）与上端夹具U型侧边上的第四通孔（212）和/或下端夹具（22）的第六通孔（214）的位置对应，用于供连接上端夹具（21）与待测试验件和/或下端夹具（22）与待测试验件的连接件穿过；
所述第八通孔（216）位于待测试验件与上端夹具（21）和/或下端夹具（22）连接位置之外，紧固件穿过两块夹块（23）对应位置的第八通孔将两块夹块（23）连接，以将夹持的待测试验件与U型的一个侧边紧固。
4.如权利要求3所述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，其特征在于，所述变形测量装置（5）包括CCD相机（51）、相机支架（52）、数据分析处理软件（53）；
所述CCD相机（51）从试验架架体侧面采集待测试验件试验状态数据；
所述相机支架（52）用于将CCD相机（51）支撑在合适位置和高度，并保持稳定；
所述数据分析处理软件（53）用于对CCD相机（51）获得的待测试验件试验数据进行计算和分析。
5.如权利要求4所述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，其特征在于，
所述试验架（1）、连接装置（2）和连接杆（41）均为金属材料制作；
所述变形测量装置（5）还包括标靶（54），所述标靶（54）由直杆和矩形靶纸构成，直杆与靶纸固连。
6.一种拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量方法，其特征在于，它使用如权利要求1-5中任一权利要求所述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量装置，过程如下：利用连接装置（2）将待测试验件一端固定在试验架（1）上，将待测试验件的另一端与连接装置（2）、连接装置（2）与加载装置（4）进行连接；然后通过使加载装置施加作用力，测量待测试验件在加载作用力过程中的拉伸-剪切或拉伸-扭转变形。
7.如权利要求6所述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量方法，其特征在于，当测量拉伸-剪切耦合效应时，其过程分为以下步骤：
S1：待测试验件安装：在复合材料板材上端的两侧和下端的两侧各对称固连一块铝块，并在铝块与复合材料板材结合处的中心位置设置一个通孔，得到两端各有两块铝块对称固连且有通孔的待测试验件；利用螺钉依次穿过夹块（23）的第七通孔（215）、上端夹具（21）的一个侧边第四通孔（212）、待测试验件的上端通孔、另一夹块（23）的第七通孔（215）、上端夹具（21）的另一个侧边第四通孔（212），将待测试验件的上端与上端夹具（21）及夹块（23）连接固定，并通过连接并紧固两块夹块（23）上的第八通孔（216）使待测试验件与上端夹具（21）的连接被夹紧；然后采用同样的操作将下端夹具（22）与待测试验件（3）的另一端连接；
S2、使螺钉穿过连接圆盘（12）的滑槽（121）和试验架（1）架体上表面横杆上的第二通孔（112）将连接圆盘（12）连接在试验架架体上，再通过螺钉依次穿过试验架（1）架体上表面横杆上的第一通孔（111）、连接圆盘（12）的圆心通孔、上端夹具（21）的第三通孔（211）将上端夹具与试验架（1）连接；用螺钉通过下端夹具（22）上的第五通孔（213）与连接杆（41）一端相连接，连接杆（41）的另一端连接砝码盘，待测试验件状态设置完成；
S3：CCD相机的标定及数据采集：在待测试验件的测量区域内设置点状标志物，随后打开数据分析处理软件（53），检测并调整CCD相机（51）的位置，以使待测试验件的测量区域处于相机视觉框的中心，采集待测试验件的测量区域内点状标志物的位置及其形成的散斑图像；
S4：试验加载与完成：依次将砝码放置在砝码托盘（42）上以作拉力，对每一次加载或卸载的全过程同步采集待测试验件的测量区域内点状标志物的位置及其形成的散斑图像；
S5：结果数据处理与分析：利用数据分析处理软件（53）对加载前后待测试验件的测量区域内点状标志物的位置及其形成的散斑图像进行相关性计算，通过搜索和迭代算法识别物体变形前后图像中同一特征灰度块的位移，利用计算机匹配到最合理的面内位移变形量，从而建立与物体变形之间的联系，最终获得该物体的变形信息，得到待测试验件在不同拉力作用下的剪切变形。
8.如权利要求6所述的拉伸-剪切和拉伸-扭转耦合效应测量方法，其特征在于，当测量拉伸扭转耦合效应时，其过程分为以下步骤：
S1*：待测试验件安装：在复合材料板材上端的两侧和下端的两侧各对称固连一块铝块，并在铝块与复合材料板材结合处的中心位置设置一个通孔，得到两端各有两块铝块对称固连且有通孔的待测试验件；利用螺钉依次穿过夹块（23）的第七通孔（215）、上端夹具（21）的一个侧边第四通孔（212）、待测试验件的上端通孔、另一夹块（23）的第七通孔（215）、上端夹具（21）的另一个侧边第四通孔（212），将待测试验件的上端与上端夹具（21）及夹块（23）连接固定，并通过连接并紧固两块夹块（23）上的第八通孔（216）使待测试验件与上端夹具（21）的连接被夹紧；然后采用同样的操作将下端夹具（22）与待测试验件（3）的另一端连接；
S2*、使螺钉穿过连接圆盘（12）的滑槽（121）和试验架（1）架体上表面横杆上的第二通孔（112）将连接圆盘（12）连接在试验架架体上，再通过螺钉依次穿过试验架（1）架体上表面横杆上的第一通孔（111）、连接圆盘（12）的圆心通孔、上端夹具（21）的第三通孔（211）将上端夹具与试验架（1）连接；用螺钉通过下端夹具（22）上的第五通孔（213）与连接杆（41）一端相连接，连接杆（41）的另一端连接砝码盘，待测试验件状态设置完成；
S3*：标靶的安装及数据采集：将标靶（54）调至合适位置，并使其与试验件和下端夹具连接的上端面固连，固连方法采用胶粘或磁吸；随后打开数据分析处理软件（53），检测并调整CCD相机（51）的位置，以使待测试验件的测量区域处于相机视觉框的中心，采集标靶的位置及图像；
S4*：试验加载与完成：依次将砝码放置在砝码托盘（42）上以作拉力，对每一次加载或卸载的全过程同步采集转动后稳定的标靶位置及图像；
S5*：结果数据处理与分析：利用数据分析处理软件（53）对加载前后标靶的位置进行相关性计算，通过搜索和迭代算法识别标靶位移前后图像中各灰度块的位移，从而建立与物体变形之间的联系，最终获得该物体的扭转变形信息，得到待测试验件在不同拉力作用下的扭转变形。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111551451A (zh) * 2020-06-16 2020-08-18 天津工业大学 一种无机高性能纤维束径向剪切性能测试装置及测试方法
CN114199500A (zh) * 2021-07-14 2022-03-18 南京工业大学 大型风力机叶片实尺寸模拟风力加载测试系统
CN114047079A (zh) * 2021-12-24 2022-02-15 西北工业大学 一种合金结构部件测试装置及测试方法
CN114518284B (zh) * 2022-04-02 2022-07-22 太原理工大学 一种用于压剪试验机的大功率电液控制系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004109065A (ja) * 2002-09-20 2004-04-08 Tokai Univ 試験片、この製作方法及び繊維の試験機
CN101526453A (zh) * 2009-04-20 2009-09-09 南京工业大学 定量测定纳晶材料不均匀变形的方法
CN101603820A (zh) * 2009-07-23 2009-12-16 中国林业科学研究院木材工业研究所 一种木材微观结构特征变化实时检测系统
CN202018406U (zh) * 2011-03-18 2011-10-26 怡星(无锡)汽车内饰件有限公司 定荷重试验装置
CN106323748A (zh) * 2016-08-29 2017-01-11 北京航空航天大学 一种用于碳纤维复丝应变测量和力学性能表征的非接触视频测量系统
CN109030248A (zh) * 2018-07-10 2018-12-18 西南交通大学 I-ii复合型裂纹疲劳扩展速率试验装置及试验方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004109065A (ja) * 2002-09-20 2004-04-08 Tokai Univ 試験片、この製作方法及び繊維の試験機
CN101526453A (zh) * 2009-04-20 2009-09-09 南京工业大学 定量测定纳晶材料不均匀变形的方法
CN101603820A (zh) * 2009-07-23 2009-12-16 中国林业科学研究院木材工业研究所 一种木材微观结构特征变化实时检测系统
CN202018406U (zh) * 2011-03-18 2011-10-26 怡星(无锡)汽车内饰件有限公司 定荷重试验装置
CN106323748A (zh) * 2016-08-29 2017-01-11 北京航空航天大学 一种用于碳纤维复丝应变测量和力学性能表征的非接触视频测量系统
CN109030248A (zh) * 2018-07-10 2018-12-18 西南交通大学 I-ii复合型裂纹疲劳扩展速率试验装置及试验方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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拉伸-剪切耦合层合板优化设计及其应用;李谨等;《国防科技大学学报》;20151031;第37卷(第5期);第4节 *

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