CN111398035A - 用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具及测试方法，该夹具包括两组相对贴紧将三维机织复合材料试样夹在其间的夹片，每个夹片的中部开设有两排径向相间错开的中部孔，夹片靠近径向两侧各开设一排边孔。该方法为在三维机织复合材料试样的夹持部分的两侧贴上夹片，用螺杆或螺钉穿过重合的中部孔和加固孔，并用螺母拧紧，将三维机织复合材料试样夹紧。用螺杆或螺钉穿过同步对齐的两个夹片的边孔，并用螺母拧紧，将两夹片拧紧。固定部固定在测试机的夹紧部位，同时双向拉动三维机织复合材料试样，直到三维机织复合材料试样破坏，读取拉伸强度。本发明设计了新的夹具，增强了夹片对三维机机织复合材料试样的夹持力。

Description

用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具及测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具及测试方法，属于复合材料力学性能测试技术领域。

背景技术

三维机织复合材料由纤维和基体两种材料组成。由多根纤维丝形成纤维束，再由纤维束通过特定机械按一定方式织成三维纤维织成体，然后在纤维织成体中注入基体材料（多为树脂类材料）所形成的纤维复合材料。三维机织复合材料具有比重小、比模量大、比强度大、耐高温、耐化学腐蚀性等优点，在航空航天、国防、车辆、土木等工程领域展现出巨大的应用前景。

力学性能是工程材料的基本性能，拉伸强度材料基本力学性能之一，在材料的研究开发、生产、工程应用等环节都需要测试其拉伸强度。在测试中，需要对材料试件进行夹持，然后由试验机对其拉伸，最终测得拉伸强度。我国对于纤维增强塑料拉伸强度的测试已制定的相关的规范方法（GB/T1447-2005）。由于纤维织成物与基体材料的力学性能差距明显，在采用规范方法进行拉伸时，垂直拉伸方向的纤维束会发生整体滑移，复合材料的外层和内层没有有效的荷载传递，导致测试最多荷载远小于理论计算值，给定的夹持方法无法正确测得三维机机织复合材料的拉伸强度。

因此，本发明提出一种用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具及测试方法，以解决上述问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具及测试方法，其具体技术方案如下：

一种用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，包括用于夹持在试验机内的两组夹片，每组夹片有两个相对贴紧将三维机织复合材料试样夹在其间的夹片，每个夹片的中部开设有若干个中部孔，所述中部孔在三维机织复合材料试样的经纬向相间错开，每个夹片还开设有若干个边孔，所述边孔对称均布于中部孔的经向方向的两侧，在边孔中穿过连接件将每组两个夹片连接固定。

进一步的，所述夹片包括一体的用于夹持三维机织复合材料试样的呈矩形片状的覆盖部，和用于与试验机固定的固定部，所述固定部与覆盖部之间弧形圆润过渡。

进一步的，所述三维机织复合材料试样包括一体的两端的夹持部分和中间的测试部分，所述测试部分的宽度小于夹持部分的宽度，且测试部分两端的边缘圆弧过渡到夹持部分的边缘。

进一步的，所述三维机织复合材料试样的夹持部分开设有与中部孔重合的加固孔。

进一步的，所述三维机织复合材料试样两端的夹持部分分别由一组夹片夹紧，加固孔和中部孔重合，通过螺栓穿过加固孔和中部孔，将夹片和三维机织复合材料试样连接；

两组夹片对称夹持测试部分两端的夹持部分。

进一步的，所述中部孔有5个，沿着三维机织复合材料试样的维度方向呈两列排布，靠近测试部分的一列有2个，另一列有3个，且靠近测试部分一列的2个中部孔依次位于另一列的相邻中部孔之间。

进一步的，所述加固孔和中部孔的孔径均为4mm，所述边孔的孔径为9mm，贯穿加固孔和中部孔的连接件的杆径为3mm，贯穿边孔的连接件的杆径为8mm。

进一步的，所述夹片的厚度为5mm，夹片的覆盖部为边长为100mm正方形，所述边孔距离径向的相邻侧边缘为20mm，靠近覆盖部端部的边孔距边缘为20mm，靠近固定部的边孔距过渡边缘30mm；

靠近固定部的3个中部孔的相邻间距是15mm，距离固定部的过渡边缘40mm，靠近覆盖部端部的2个中部孔距边缘30mm。

进一步的，所述三维机织复合材料试样的夹持部分的长度为80mm，宽度为50mm，测试部分的宽度为10mm，靠近测试部分的2个加固孔距离测试部分的距离为30mm，靠近夹持部分端部的3个加固孔距边缘20mm，且其相邻间距为15mm。

三维机织复合材料拉伸强度测试方法，该方法基于上述的夹具，具体包括以下步骤：

步骤一：裁切三维机织复合材料试样：选取三维机织复合材料，将其中部从两侧对称朝向中部圆弧裁切到测试宽度，测试部分的两端预留足够面积的夹持部分，在夹持部分的特定位置开设有对应数量的加固孔；

步骤二：制作夹片：选取4个夹片基片，将其加工成规格一致的夹片，使得夹片与试验机连接端能够与试验机固定，覆盖压紧在三维机织复合材料试样夹持部分的覆盖部能够盖实夹持部分，且夹片的覆盖部开有与加固孔对齐重合的中部孔，并在三维机织复合材料试样经向的两侧对称开设开设一排边孔；

步骤三：组装夹片：夹片两个一组，将三维机织复合材料试样的夹持部分平铺在一个夹片上，使加固孔与中部孔重合对齐，然后再覆盖上另一个夹片，使得该夹片的中部孔与三维机织复合材料试样的加固孔重合对齐，用螺栓或螺钉穿过一组夹片的中部孔和中间的加固孔，在该螺栓或螺钉上拧紧螺母，直到螺母将夹片压紧靠实夹住中间的三维机织复合材料试样，再在夹持部分径向方向两侧的边孔中穿过螺栓或螺钉，在该螺栓或螺钉上拧紧螺母，直到螺母固定到夹片表面，且将夹片压紧靠实；用同样的方式将另一组夹片固定到三维机织复合材料试样另一端的夹持部分；

步骤四：固定夹片：将两组夹片的固定端分别固定到试验机中，并由试验机夹紧；

步骤五：测试：启动试验机，试验机同时双向拔拉三维机织复合材料试样，直到三维机织复合材料试样发生破坏，读取此时的拉伸强度。

本发明的工作原理是：

通过试验机的通用夹具夹持夹片预留的固定部，即可实现对三维机机织复合材料拉伸强度的测试。

4组8mm 和5组3mm拧紧的螺栓对夹片和待测三维机机织复合材料试样施加了足够的压力，可保证拉伸过程中三维机机织复合材料试件相对夹片的滑动；横穿三维机机织复合材料的5根3mm螺栓体，可有效阻止垂直拉伸方向的纤维束的整体滑移；实现三维机机织复合材料拉伸强度的正确测量。

本发明的有益效果是：

相对于已有的规范方法（GB/T1447-2005），本发明设计了新的夹具，通过4组直径为8mm螺栓和5组直径为3mm螺栓的压力增强了夹片对三维机机织复合材料试样的夹持力；设计了新的“8”字形三维机机织复合材料试样改善了待测材料的受力均匀性；实现了三维机机织复合材料拉伸强度的正确测试。

附图说明

图1是本发明的夹片与三维机机织复合材料试样夹持状态的正视图，

图2是本发明的夹片正视图，

图3是本发明的三维机机织复合材料试样正视图，

图中：1—夹片，11—覆盖部，12—固定部，13—边孔，14—中部孔， 2—三维机织复合材料试样，21—夹持部分，22—测试部分，23—加固孔。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1所示，三维机织复合材料试样2的两端分别用夹片1夹持固定住，三维机织复合材料试样2的中间（即测试部分22），位于两组夹片1之间的空隙中，夹片1的末端（即固定部12）固定在测试机中，通过测试机工作，相反方向同时施加拉力，直到三维机织复合材料试样2破坏，读取拉伸强度。

参见图2，本发明的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，包括4个规格一致的夹片1，每2个为一组，夹片1包括一体的覆盖部11和固定部12，覆盖部11的中部位置开设有多个中部孔14，靠近经向两侧位置分别自个开设一排边孔13。

夹片1可选用不锈钢板，且与三维机织复合材料试样2贴合的一侧表面固定设置有防滑层，或者防滑纹理，防滑纹理的走向与拉伸方向垂直，防滑层可选用铺浇一层塑胶，塑胶在对应中部孔和边孔位置均开设与其贯通的通孔。

参见图3，三维机织复合材料试样2包括一体的夹持部分21和测试部分22，测试部分22位于两端的夹持部分21的中间，夹持部分21开设有位置、数量和规格均与中部孔一致的加固孔23。

参见图2，图中的单位是mm，夹片1有一定的厚度，通常厚度为5mm，呈板状，覆盖部11呈矩形板状，各边长度均为100mm，固定部12呈宽40mm，长50mm的矩形形状，固定部12的宽边与覆盖部11连接处用半径为15mm的圆角过渡。中部孔14有5个，呈两排排列，靠近覆盖部11端部的一排有2个，间距为20mm，另一排（靠近固定部12）有3个，该相邻中部孔14之间的间距为15mm，相邻的间距为15mm，且靠近覆盖部11端部的一排2个中部孔14位于另一排相邻中部孔14之间。

参见图3，图中的单位是mm，三维机织复合材料试样2也有一定的厚度，通常为3~8mm，裁切呈图2形状，中部为宽10mm的矩形的测试部分22，测试部分22长度为厚度10倍以上，两端为长度为80mm宽度为50mm矩形的夹持部分21，其宽边与测试部用半径为12.5mm的圆角过渡。夹持部分21开设有5个加固孔，当夹片1的覆盖部11压在三维机织复合材料试样2的夹持部分21上时，5个中部孔14与5个加固孔23重合。

参见图1，三维机织复合材料拉伸强度测试，在三维机织复合材料试样2的夹持部分21的两侧贴上夹片1，使得两侧的夹片1的中部孔14与三维机织复合材料试样2的加固孔23重合，并用螺杆或螺钉穿过中部孔和加固孔，并用螺母拧紧，将三维机织复合材料试样2夹紧。位于三维机织复合材料试样2的夹持部分21两侧的边孔13也同步对齐，在其中穿过螺杆或螺钉，并用螺母拧紧，将两夹片1拧紧。具体过程可参见下面方法。

三维机织复合材料拉伸强度测试方法，该方法基于上述的夹具，具体包括以下步骤：

步骤一：裁切三维机织复合材料试样2：选取三维机织复合材料，将其中部从两侧对称朝向中部圆弧裁切到测试宽度，测试部分的两端预留足够面积的夹持部分21，在夹持部分21的特定位置开设有对应数量的加固孔23；

步骤二：制作夹片1：选取4个夹片1基片，将其加工成规格一致的夹片1，使得夹片1与试验机连接端能够与试验机固定，覆盖压紧在三维机织复合材料试样2夹持部分21的覆盖部能够盖实夹持部分，且夹片1的覆盖部11开有与加固孔23对齐重合的中部孔14，并在三维机织复合材料试样2经向的两侧对称开设开设一排边孔13；

步骤三：组装夹片1：夹片1两个一组，将三维机织复合材料试样2的夹持部分平铺在一个夹片1上，使加固孔23与中部孔14重合对齐，然后再覆盖上另一个夹片1，使得该夹片1的中部孔14与三维机织复合材料试样2的加固孔23重合对齐，用螺栓或螺钉穿过一组夹片1的中部孔14和中间的加固孔23，在该螺栓或螺钉上拧紧螺母，直到螺母将夹片1压紧靠实夹住中间的三维机织复合材料试样2，再在夹持部分径向方向两侧的边孔中穿过螺栓或螺钉，在该螺栓或螺钉上拧紧螺母，直到螺母固定到夹片1表面，且将夹片1压紧靠实；用同样的方式将另一组夹片1固定到三维机织复合材料试样2另一端的夹持部分21；

步骤四：固定夹片1：将两组夹片1的固定端分别固定到试验机中，并由试验机夹紧；

步骤五：测试：启动试验机，试验机同时双向拔拉三维机织复合材料试样2，直到三维机织复合材料试样2发生破坏，读取此时的拉伸强度。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：包括用于夹持在试验机内的两组夹片（1），每组夹片（1）有两个相对贴紧将三维机织复合材料试样夹在其间的夹片，每个夹片的中部开设有若干个中部孔（14），所述中部孔（14）在三维机织复合材料试样的经纬向相间错开，每个夹片还开设有若干个边孔（13），所述边孔（13）对称均布于中部孔（14）的经向方向的两侧，在边孔（13）中穿过连接件将每组两个夹片连接固定。

2.根据权利要求1所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述夹片包括一体的用于夹持三维机织复合材料试样（2）的呈矩形片状的覆盖部（11），和用于与试验机固定的固定部（12），所述固定部（12）与覆盖部（11）之间弧形圆润过渡。

3.根据权利要求2所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述三维机织复合材料试样包括一体的两端的夹持部分（21）和中间的测试部分（22），所述测试部分（22）的宽度小于夹持部分（21）的宽度，且测试部分（22）两端的边缘圆弧过渡到夹持部分（21）的边缘。

4.根据权利要求3所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述三维机织复合材料试样的夹持部分（21）开设有与中部孔（14）重合的加固孔（23）。

5.根据权利要求4所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述三维机织复合材料试样两端的夹持部分（21）分别由一组夹片夹紧，加固孔（23）和中部孔（14）重合，通过螺栓穿过加固孔（23）和中部孔（14），将夹片和三维机织复合材料试样连接；

两组夹片对称夹持测试部分（22）两端的夹持部分（21）。

6.根据权利要求1所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述中部孔（14）有5个，沿着三维机织复合材料试样的维度方向呈两列排布，靠近测试部分（22）的一列有2个，另一列有3个，且靠近测试部分（22）一列的2个中部孔（14）依次位于另一列的相邻的中部孔（14）之间。

7.根据权利要求4所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述加固孔（23）和中部孔（14）的孔径均为4mm，所述边孔（13）的孔径为9mm，贯穿加固孔（23）和中部孔（14）的连接件的杆径为3mm，贯穿边孔（13）的连接件的杆径为8mm。

8.根据权利要求4所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述夹片的厚度为5mm，夹片的覆盖部（11）为边长为100mm正方形，所述边孔（13）距离径向的相邻侧边缘为20mm，靠近覆盖部（11）端部的边孔（13）距边缘为20mm，靠近固定部（12）的边孔（13）距过渡边缘30mm；

靠近固定部（12）的3个中部孔（14）的相邻间距是15mm，距离固定部（12）的过渡边缘40mm，靠近覆盖部（11）端部的2个中部孔（14）距边缘30mm。

9.根据权利要求8所述的用于三维机织复合材料拉伸强度测试的夹具，其特征在于：所述三维机织复合材料试样的夹持部分（21）的长度为80mm，宽度为50mm，测试部分（22）的宽度为10mm，靠近测试部分（22）的2个加固孔（23）距离测试部分（22）的距离为30mm，靠近夹持部分（21）端部的3个加固孔（23）距边缘20mm，且其相邻间距为15mm。

10.三维机织复合材料拉伸强度测试方法，其特征在于：该方法基于上述任一权利要求所述的夹具，具体包括以下步骤：

步骤一：裁切三维机织复合材料试样：选取三维机织复合材料，将其中部从两侧对称朝向中部圆弧裁切到测试宽度，测试部分（22）的两端预留足够面积的夹持部分（21），在夹持部分（21）的特定位置开设有对应数量的加固孔（23）；

步骤二：制作夹片：选取4个夹片基片，将其加工成规格一致的夹片，使得夹片与试验机连接端能够与试验机固定，覆盖压紧在三维机织复合材料试样夹持部分（21）的覆盖部（11）能够盖实夹持部分（21），且夹片的覆盖部（11）开有与加固孔（23）对齐重合的中部孔（14），并在三维机织复合材料试样经向的两侧对称开设开设一排边孔（13）；

步骤三：组装夹片：夹片两个一组，将三维机织复合材料试样的夹持部分（21）平铺在一个夹片上，使加固孔（23）与中部孔（14）重合对齐，然后再覆盖上另一个夹片，使得该夹片的中部孔（14）与三维机织复合材料试样的加固孔（23）重合对齐，用螺栓或螺钉穿过一组夹片的中部孔（14）和中间的加固孔（23），在该螺栓或螺钉上拧紧螺母，直到螺母将夹片压紧靠实夹住中间的三维机织复合材料试样，再在夹持部分（21）径向方向两侧的边孔（13）中穿过螺栓或螺钉，在该螺栓或螺钉上拧紧螺母，直到螺母固定到夹片表面，且将夹片压紧靠实；用同样的方式将另一组夹片固定到三维机织复合材料试样另一端的夹持部分（21）；

步骤四：固定夹片：将两组夹片的固定端分别固定到试验机中，并由试验机夹紧；

步骤五：测试：启动试验机，试验机同时双向拔拉三维机织复合材料试样，直到三维机织复合材料试样发生破坏，读取此时的拉伸强度。

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