CN111351713B - 一种柔性材料多角度剥离及拉伸力学性能的测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料性能测试领域，具体涉及一种柔性材料多角度剥离及拉伸力学性能的测试装置。包括：可调节双向加载系统：包括两个移动式夹具和弧形滑动框架；固定单向加载系统：包括刻度盘、固定端夹具、钢框架，固定端夹具固定设于钢框架上；监测系统：用于实时监测试件三个拉伸臂的连接点，通过固定端夹具的伸缩来确保连接点始终位于刻度盘的圆心。本发明采用了三向加载方式，可依据实际工程需求，有效模拟柔性材料实际使用过程中焊接区域破坏分离的测试以及三向试件的力学性能测试，实现任意初始角度下的三向张拉荷载下柔性材料剥离、拉伸性能的研究，显著提高测试结果的科学性及适用性。

Description

一种柔性材料多角度剥离及拉伸力学性能的测试装置
技术领域
本发明属于材料性能测试领域，具体涉及一种柔性材料多角度剥离及拉伸力学性能的测试装置。
背景技术
柔性膜材因具有柔韧、比强度高、易于造型、环保等优点，在张拉或气承式膜结构建筑、空间可展开结构(气囊，降落伞等)、空中长航时飞艇等领域有广阔的应用前景。在实际工程应用中，膜材通常会采用焊接处理，如气枕结构的边缘。在充气过程中，气枕边缘上下两层膜片夹角会不断变化，此时膜片焊接处极有可能会出现上下膜片夹角不断变化的剥离现象。此外，在飞艇或气膜结构中经常会采用悬链线等三向构件，这种构件处于三向受拉状态，且三个拉伸方向的夹角非定值，在使用的过程中其夹角会进一步变化。在膜结构中，材料的焊接处或悬链线的受力情况较为复杂，通常都是结构的关键节点，对膜结构的安全性和适用性起到关键作用，因此对这部分重要节点的力学特性进行测试非常必要。
目前使用的柔性材料剥离强度测试方法通常使用单向拉伸方法，张营营、张其林所著的“涂层织物类建筑材料料的力学性能”(中国矿业大学出版社,2013)将焊接后的两个膜片分别夹持在万能试验机上下两个夹具上，焊接处的材料为自由端。这种剥离强度测试装置只能针对固定加载比例，拉伸方向为180°的情况，无法对实际情况中多种拉伸角度情况下焊接部件的力学性能进行测试。
目前所公开的用于柔性材料拉伸测试装置侧重于材料的面内力学性能，如CN103149090 A中公开了一种名为“三向拉伸测试装置”的发明专利申请，能够针对三向拉伸时材料面内力学性能进行测试。针对膜结构中立体的三向构件如悬链线等节点的力学性能测试设备较少，对其力学性能无法实现有效的测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性材料多角度剥离及拉伸力学性能的测试装置，能够实现任意拉伸加载比例的三向受力条件下柔性材料三向构件拉伸力学性能的测试，并且荷载稳定性、同步性、以及试验可操作性等方面性能优异，测试结果可靠。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种柔性材料多角度剥离及拉伸力学性能的测试装置，包括：
可调节双向加载系统：包括两个移动式夹具和弧形滑动框架，所述两个移动式夹具分别用于夹持柔性材料试件的一端，所述两个移动式夹具沿弧形滑动框架滑动，且根据需要固定在弧形滑动框架的任意位置，实现两个拉伸臂之间角度的可调；
固定单向加载系统：包括刻度盘、固定端夹具、钢框架，所述固定端夹具固定设于钢框架上，用于在固定方向调整试件的一端以保持材料试件三个拉伸臂夹角不变，所述刻度盘和可调节双向加载系统设置在钢框架上；
监测系统：用于实时监测试件三个拉伸臂的连接点，通过固定端夹具的伸缩来确保连接点始终位于刻度盘的圆心。
进一步的，所述钢框架为十字形，所述固定端夹具设置在钢框架的其中一端；
所述刻度盘为半圆形，且在圆心位置设有标记，表面设有角度刻度，通过底部垫块固定设在钢框架上，使刻度盘与固定端夹具和移动式夹具底端齐平，用于精确测量试件两加载端的夹角；
所述弧形滑动框架为半圆形，固定设置在钢框架上，且位于在刻度盘的外周。
进一步的，所述弧形滑动框架包括上框架、下框架和端头，上下框架通过两个金属端头焊接固定为一体，所述弧形滑动框架内部为刻槽滑轨，上框架中部设有半圆形槽，所述两个移动式夹具沿弧形滑动框架内部的刻槽滑轨移动，且通过上框架上的半圆形槽固定移动式夹具。
进一步的，所述移动式夹具包括固定部分和主体部分；所述主体部分用于可调速加载和记录拉伸过程中的数据，所述固定部分用于将移动式夹具固定于弧形滑动框架任意位置。
进一步的，所述移动式夹具的固定部分包括固定螺杆，穿心螺母，螺母和圆形垫片；
所述的固定螺杆为带螺纹的圆形钢棒，设置在夹具的轴线上，用于部件固定与传力；所述的穿心螺母为带有内螺纹的钢环，设置在每个夹具的固定螺杆上，通过螺母初步固定夹具后，为了防止拉伸过程中螺母松动，使用穿心螺母来进一步确保夹具的稳固。
进一步的，所述移动式夹具的主体部分包括刻槽滑块、加载气缸、夹具、测力计和传力螺杆；
所述刻槽滑块在弧形滑动框架中进行移动，刻槽滑块与弧形滑动框架紧密贴合，不可转动，使移动式夹具传力杆始终指向刻度盘的圆心；
所述加载气缸与夹具由传力杆连接，所述的测力计设置在传力螺杆上，通过套筒螺栓与传力螺杆连接，用于拉伸荷载的测量。
进一步的，所述固定端夹具包括加载气缸、夹具、测力计和传力螺杆。
进一步的，所述固定端夹具的和移动式夹具都还包括旋钮，夹头部分通过旋钮来固定试件，旋钮的数量根据需要确定。
进一步的，所述旋钮为螺杆。
进一步的，所述监测系统包括三脚钢架、相机夹具和相机；通过相机实时监测材料三个拉伸臂的连接点，通过固定端夹具的伸长来确保连接点始终位于刻度盘的圆心。
进一步的，所述固定端夹具与监测系统相结合，实时监测控制材料连接点与刻度盘圆心的相对位置，确保材料拉伸臂之间夹角不变。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明采用了三向加载方式，可依据实际工程需求，有效模拟气膜结构实际使用过程中材料剥离的实际受力状态，实现任意加载角度下两个主拉伸臂——移动式夹具不同加载比例材料剥离性能的研究；
(2)对于三向拉伸构件，本发明可以实现三个拉伸角度不同加载速率下构件三向拉伸力学性能的测试，显著提高测试结果的科学性及适用性，并且通过测力计可实时记录和观察变形和位移的变化，荷载稳定性、同步性、以及试验可操作性等方面性能优异。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明的监测系统三维示意图。
图3是本发明的可调节双向加载结构三维示意图。
图4是本发明的弧形滑动框架三维示意图。
图5是本发明的移动式夹具三维示意图。
图6是本发明的固定单向加载结构三维示意图。
图7是本发明的刻度盘三维示意图。
图8是本发明的钢框架三维示意图。
图9是本发明的三向受力构件测试试样示意图。
图10是本发明的整体试验示意图。
图11是本发明试验的局部示意图。
附图标记说明：
1-固定螺杆，2-穿心螺母，3-螺母，4-圆形垫片，5-刻槽滑块，6-加载气缸，7-旋钮，8-夹具，9-测力计，10-传力螺杆，11-传力杆，12-刻度盘，13-固定端夹具，14-钢框架，15-弧形滑动框架，16-移动式夹具，17-可调节双向加载结构，18-固定单向加载结构，19-监测系统，20-三脚钢架，21-相机夹具。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行较为详细的说明。
如附图1-11所示，一种适用于柔性材料角度剥离性能及三向构件拉伸力学性能的测试装置，包括可调节双向加载系统17及固定单向加载系统18以及监测系统19。
可调节双向加载系统17包括弧形滑动框架15、移动式夹具16，移动式夹具16包括固定螺杆1，穿心螺母2，螺母3，圆形垫片4，刻槽滑块5，加载气缸6，夹具8，测力计9，传力螺杆10。
弧形滑动框架15为半圆形，用于放置移动式夹具，使其可以滑动以调整加载方向的角度。所述的弧形滑动框架15上下框架通过与两个金属端头焊接固定，其内部为刻槽滑轨，框架顶部存在镂空用于固定移动式夹具16。
移动式夹具16上部为固定部分，包括固定螺杆1，穿心螺母2，螺母3，圆形垫片4。所述的固定螺杆1为带螺纹的圆形钢棒，设置在夹具的轴线上，用于部件固定与传力；所述的穿心螺母2为带有内螺纹的钢环，设置在每个夹具的固定螺杆1上。通过螺母3初步固定夹具后，为了防止拉伸过程中螺母3松动，使用穿心螺母2来进一步确保夹具的稳固。
移动式夹具16上下两端为刻槽滑块5，刻槽滑块5在弧形滑动框架15中进行移动以调整试件两加载端的夹角。移动式夹具16的主体部分为加载气缸6，与刻槽滑块5焊接固定，用于可调速加载和记录拉伸过程中荷载及位移等关键数据。
气缸6与夹具8由传动杆通过螺纹接头连接，夹头部分通过旋钮7来固定试件。
单向加载系统18包括钢框架14、固定端夹具13、刻度盘12，钢框架14为十字形，具有足够的强度和刚度，是主要的承力部件。钢框架14其中一端用于放置固定端夹具13，其余端部用于放置可调节双向加载系统17以及刻度盘12。
固定端夹具13与移动式夹具16类似，但不包括固定螺杆1，穿心螺母2，螺母3，圆形垫片4和刻槽滑块5，其主体被固定在钢框架14上无法移动，用于在固定方向调整试件的一端以保持材料试件三个拉伸臂夹角不变。
所述的刻度盘12为半圆形，圆心处设置标记，表面设有角度刻度。通过底部垫块焊接在钢框架14上，使刻度盘12与固定端夹具13和移动式夹具16底端齐平，用于精确测量试件两加载端的夹角。
监测系统19包括三脚钢架20、相机夹具21，通过相机实时监测材料三个拉伸臂的连接点，通过固定端夹具13的伸长来确保连接点始终位于刻度盘12的圆心。
本发明采用了三向加载方式，可依据实际工程需求，有效模拟气膜结构实际使用过程中材料剥离的实际受力状态，实现任意加载角度下两个主拉伸臂——移动式夹具16不同加载比例材料剥离性能的研究；对于三向拉伸构件，则可以实现三个拉伸角度不同加载速率下构件三向拉伸力学性能的测试，显著提高测试结果的科学性及适用性，并且通过测力计可实时记录和观察变形和位移的变化，荷载稳定性、同步性、以及试验可操作性等方面性能优异。
具体试验方法如下：
第一步，确定试验方案，例如材料的偏轴角度、拉伸方向的加载比例或加载速率等变量设置，选择合适形状及尺寸的试样并制作试样，对于三向应力作用下三向构件拉伸性能的研究通常具有三条伸臂，可由两个或三个长条形试件焊接而成(见图9)，试样的尺寸根据实际装置尺寸和测试需求确定；
第二步，根据试验所需要的初始角度，将两个移动式夹具16调整至所对应的角度，两者的角度差即为初始拉伸角度。通过固定螺杆1，拧紧螺母3使圆形垫片4与弧形滑动框架15紧密贴合。最后调整穿心螺母2进行二次固定。
第三步，将试件的连接点对准刻度盘12的圆心，调整移动式夹具16的传力杆11将夹具8调整至合适的位置，通过转动固定旋钮7顶进带有凹凸面的压片对于试样施加均匀夹持力，固定旋钮7数量根据实际需求确定，保证测试过程中测试材料夹持稳定。
第四步，调整固定端夹具13，固定试件的最后一条拉伸臂，将试件的连接点调整至准刻度盘12的圆心，将固定端夹具13与检测系统连接，对试件连接点位置进行监测。
第五步，参照相关试验方案通过操控加载气缸6，在所需的加载速率下进行拉伸。针对材料的剥离试验，需要使用相机实时监测材料连接点的位置，通过调整固定端夹具13伸臂来确保连接点始终位于刻度盘12的圆心，保证三个加载方向夹角不变。试验所获得的荷载位移曲线包含三组数据，分别为三个方向的夹具所测得的。处理加载伸缸记录的荷载、位移等关键数据，获得各加载比下试件在三向拉伸状况下的荷载位移曲线，通过高速相机记录试验过程中的拉伸或剥离破坏形态等，实现不同加载速率下的三向构件材料拉伸性能或焊接构件剥离强度的分析。包括最大拉伸应力、三向拉伸刚度变化、三向构件拉伸破坏机理、交接处脱粘破坏特征等。
本发明采用了三向加载的方式，可依据实际工程需求，有效模拟三向受力构件实际使用过程中力学性能的测试，实现任意加载角度下不同加载比例的三向张拉构件拉伸力学性能的研究，显著提高测试结果的科学性及适用性，并且通过测力计可实时记录和观察张力的变化，荷载稳定性、同步性、以及试验可操作性等方面性能优异。

Claims (1)

1.一种柔性材料多角度剥离及拉伸力学性能的测试装置，其特征在于，包括：
可调节双向加载系统(17)：包括两个移动式夹具(16)和弧形滑动框架(15)，所述两个移动式夹具(16)分别用于夹持柔性材料试件的一端，所述两个移动式夹具(16)沿弧形滑动框架(15)滑动，且根据需要固定在弧形滑动框架(15)的任意位置，实现两个拉伸臂之间角度的可调；
固定单向加载系统(18)：包括刻度盘(12)、固定端夹具(13)、钢框架(14)，所述固定端夹具(13)固定设于钢框架(14)上，用于在固定方向调整试件的一端以保持材料试件三个拉伸臂夹角不变，所述刻度盘(12)和可调节双向加载系统(17)设置在钢框架(14)上；
监测系统(19)：用于实时监测试件三个拉伸臂的连接点，通过固定端夹具(13)的伸缩来确保连接点始终位于刻度盘(12)的圆心；
所述钢框架(14)为十字形，所述固定端夹具(13)设置在钢框架(14)的其中一端；
所述刻度盘(12)为半圆形，且在圆心位置设有标记，表面设有角度刻度，通过底部垫块固定设在钢框架(14)上，使刻度盘(12)与固定端夹具(13)和移动式夹具(16)底端齐平，用于精确测量试件两加载端的夹角；
所述弧形滑动框架(15)为半圆形，固定设置在钢框架(14)上，且位于在刻度盘(12)的外周；
所述弧形滑动框架(15)包括上框架、下框架和端头，上下框架通过两个金属端头焊接固定为一体，所述弧形滑动框架(15)内部为刻槽滑轨，上框架中部设有半圆形槽，所述两个移动式夹具(16)沿弧形滑动框架(15)内部的刻槽滑轨移动，且通过上框架上的半圆形槽固定移动式夹具(16)；
所述移动式夹具(16)包括固定部分和主体部分；所述主体部分用于可调速加载和记录拉伸过程中的数据，所述固定部分用于将移动式夹具(16)固定于弧形滑动框架(15)任意位置；
所述移动式夹具(16)的固定部分包括固定螺杆(1)，穿心螺母(2)，螺母(3)和圆形垫片(4)；
所述的固定螺杆(1)为带螺纹的圆形钢棒，设置在夹具的轴线上，用于部件固定与传力；所述的穿心螺母(2)为带有内螺纹的钢环，设置在每个夹具的固定螺杆(1)上，通过螺母(3)初步固定夹具后，为了防止拉伸过程中螺母(3)松动，使用穿心螺母(2)来进一步确保夹具的稳固；
所述移动式夹具(16)的主体部分包括刻槽滑块(5)、加载气缸(6)、夹具(8)、测力计(9)和传力螺杆(10)；
所述刻槽滑块(5)在弧形滑动框架(15)中进行移动，刻槽滑块(5)与弧形滑动框架(15)紧密贴合，不可转动，使移动式夹具(16)传力杆始终指向刻度盘(12)的圆心；
所述加载气缸(6)与夹具(8)由传力杆(11)连接，所述的测力计(9)设置在传力螺杆(10)上，通过套筒螺栓与传力螺杆(10)连接，用于拉伸荷载的测量；
所述固定端夹具(13)包括加载气缸、夹具、测力计和传力螺杆；
所述固定端夹具(13)的和移动式夹具(16)都还包括旋钮(7)，夹头部分通过旋钮(7)来固定试件，旋钮(7)的数量根据需要确定，用于保证测试过程中测试材料夹持稳定；
所述监测系统(19)包括三脚钢架(20)、相机夹具(21)和相机；通过相机实时监测材料三个拉伸臂的连接点，通过固定端夹具(13)的伸长来确保连接点始终位于刻度盘(12)的圆心；
所述固定端夹具(13)与监测系统(19)相结合，实时监测控制材料连接点与刻度盘(12)圆心的相对位置，确保材料拉伸臂之间夹角不变；
通过所述测试装置对柔性材料进行试验方法，包括如下步骤：
第一步，确定试验方案，获取所述柔性材料的偏轴角度、拉伸方向的加载比例或加载速率，以及试样的形状及尺寸，并制作所述试样；
第二步，根据试验所需要的初始角度，将两个所述移动式夹具(16)调整至所对应的角度，两者的角度差即为初始拉伸角度，通过所述固定螺杆(1)，拧紧所述螺母(3)使所述圆形垫片(4)与所述弧形滑动框架(15)紧密贴合，最后调整所述穿心螺母(2)进行二次固定；
第三步，将所述试件的连接点对准所述刻度盘(12)的圆心，调整所述移动式夹具(16)的所述传力杆(11)将所述夹具(8)调整至合适的位置，通过转动夹具上的固定旋钮(7)顶进带有凹凸面的压片对于所述试样施加均匀夹持力；
第四步，调整所述固定端夹具(13)，固定所述试件的最后一条拉伸臂，将所述试件的连接点调整至所述刻度盘(12)的圆心，将所述固定端夹具(13)与检测系统连接，对试件连接点位置进行监测；
第五步，参照相关试验方案通过操控所述加载气缸(6)，在所需的加载速率下进行拉伸，针对材料的剥离试验，使用相机实时监测材料连接点的位置，通过调整所述固定端夹具(13)伸臂来确保连接点始终位于所述刻度盘(12)的圆心，保证三个加载方向夹角不变；试验所获得的荷载位移曲线包含三组数据，分别为三个方向的夹具所测得的，处理加载伸缸记录的荷载、位移的关键数据，获得各加载比下试件在三向拉伸状况下的荷载位移曲线，通过高速相机记录试验过程中的拉伸或剥离破坏形态，用于实现不同加载速率下的三向构件材料拉伸性能或焊接构件剥离强度，包括最大拉伸应力、三向拉伸刚度变化、三向构件拉伸破坏机理、交接处脱粘破坏特征的分析。
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