CN111579358A - 用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具 - Google Patents

用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其包括:圆盘,由两块圆盘主体拼合而成,每一所述圆盘主体的前后两表面分别开设有对应的卡槽;多块加载块分别安装在对应的所述卡槽内,将复合材料试验件夹紧在所述加载块之间;多块压块分别安装在对应的所述卡槽内,且与对应的所述加载块相抵,向所述加载块施加安装限位预紧力;至少两个加载叉和至少两个夹持段,所述加载叉的一端相对地固定在所述圆盘上,所述加载叉的另一端与对应所述夹持段的一端连接。本发明通过设计具有特定结构形式的试验夹具,可以实现陶瓷基复合材料多个方向上断裂强度性能的试验测试。陶瓷基复合材料试验件拆装操作简便,有利于提高试验测试工作效率。

Description

用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具
技术领域
本发明涉及试验工装夹具领域,特别涉及一种用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具。
背景技术
先进陶瓷基复合材料的力学行为具有方向性,其在不同方向和不同加载形式下通常表现出不同的断裂强度性能,上述强度性能参数是对其进行工程设计应用的重要依据。
目前,复合材料不同方向上断裂强度性能测试的试验夹具主要参照Arcan圆盘夹具形式。现有的复合材料试验件与Arcan圆盘间的连接和载荷传递主要通过螺杆-加载孔连接、胶接或者是挤压限位等方式实现。
由于受到复合材料试验件以及试验夹具加工误差的影响,通过现有连接形式施加到试验件上的载荷不能很好地满足与试验件厚度方向中面共面的要求,即所施加的载荷方向与设计要求间存在偏差,进而影响试验结果的准确性。如果采用了胶接形式,还会因为胶接剂的固化和去除环节而大大增加试验测试的时间成本,并且有脱胶导致试验失败的风险。
此外,陶瓷基复合材料试验件加持段不容易进行加载孔加工,难度大并且精度难以保证,所以不利于采用现有的螺杆-加载孔连接的形式完成陶瓷基复合材料试验件在工装夹具上的安装。
有鉴于此,本领域技术人员亟待研制新的适用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,以期克服上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中试验施加载荷方向与设计形式容易存在偏差的缺陷,提供一种用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
一种用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特点在于,所述工装夹具包括:
圆盘,由两块圆盘主体拼合而成,每一所述圆盘主体的前后两表面分别开设有对应的卡槽;
多块加载块,所述加载块分别安装在对应的所述卡槽内,将复合材料试验件夹紧在所述加载块之间;
多块压块,所述压块分别安装在对应的所述卡槽内,且与对应的所述加载块相抵,向所述加载块施加安装限位预紧力;
至少两个加载叉和至少两个夹持段,所述加载叉的一端相对地固定在所述圆盘上,所述加载叉的另一端与对应所述夹持段的一端连接。
根据本发明的一个实施例,所述卡槽为梯形卡槽,位于每一所述圆盘主体的前后两表面上所述卡槽形状相同且位置相对。
根据本发明的一个实施例,所述梯形卡槽向内延伸形成一矩形卡槽,所述矩形卡槽与所述梯形卡槽连通,所述加载块安装在所述梯形卡槽内,所述压块安装在所述矩形卡槽内。
根据本发明的一个实施例,所述加载块的内表面为锯齿面。
根据本发明的一个实施例,所述复合材料试验件的两端的前后两面均设置有加强片,所述加载块的锯齿面与所述加强片相贴合。
根据本发明的一个实施例,所述压块为单边楔形压块。
根据本发明的一个实施例,所述圆盘主体上开设有若干加载孔。
根据本发明的一个实施例,所述加载叉与对应所述圆盘主体之间通过加载销固定。
根据本发明的一个实施例,所述加载块和所述压块上开设有多个通孔,相对设置的所述加载块之间和所述压块之间分别通过多个拧紧螺栓对应穿过所述通孔固定。
根据本发明的一个实施例,所述拧紧螺栓上安装有备紧螺母。
本发明的积极进步效果在于:
本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具通过设计具有特定结构形式的试验夹具,可以实现陶瓷基复合材料多个方向上断裂强度性能的试验测试。带有铝制加强片的陶瓷基复合材料试验件通过机械安装在试验夹具上,拆装操作简便,相比于胶接有利于提高试验测试工作效率。
所述工装夹具在不同部件之间载荷的传递路径上均采用具有自适应特性的斜面接触,没有配合间隙,有利于保证试验载荷,以正确的设计形式施加到试验件上。
试验件的加持段结构形式简单,无需进行加载孔加工。试验夹具结构形式简单,加载相关的对称结构尺寸加工精度容易达到。利用上述工装夹具会显著提高陶瓷基复合材料不同方向上的强度性能测试工作的效率,并有利于提高测试结果的准确性,对陶瓷基复合材料断裂强度性能参数的获取具有很大帮助。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显,在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征,其中:
图1为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具与复合材料试验件的安装状态示意图。
图2为本发明中采用的复合材料试验件的立体图。
图3为本发明中采用的复合材料试验件的主视图。
图4为本发明中采用的复合材料试验件的侧视图。
图5为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具中单侧加载块、压块和拧紧螺栓安装完成的状态示意图一。
图6为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具中单侧加载块、压块和拧紧螺栓安装完成的状态示意图二。
图7为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具中双侧加载块、压块和拧紧螺栓安装过程的状态示意图。
图8为图7中的A部分放大图。
图9为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具安装完成后圆盘的主视图。
图10为图9沿B-B线剖开的剖视图。
图11为图10中C部分的放大图。
【附图标记】
圆盘 10
加载块 20
压块 30
加载叉 40
夹持段 50
圆盘主体 11
卡槽 60
复合材料试验件 70
梯形卡槽 61
矩形卡槽 62
锯齿面 21
加强片 71
拧紧螺栓 80
备紧螺母 81
加载孔 12
加载销 41
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例,其示例在附图中示出。在任何可能的情况下,在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外,尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的,但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的,其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外,要求不仅仅通过所使用的实际术语,而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图1为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具与复合材料试验件的安装状态示意图。图2为本发明中采用的复合材料试验件的立体图。图3为本发明中采用的复合材料试验件的主视图。图4为本发明中采用的复合材料试验件的侧视图。图5为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具中单侧加载块、压块和拧紧螺栓安装完成的状态示意图一。图6为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具中单侧加载块、压块和拧紧螺栓安装完成的状态示意图二。图7为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具中双侧加载块、压块和拧紧螺栓安装过程的状态示意图。图8为图7中的A部分放大图。图9为本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具安装完成后圆盘的主视图。图10为图9沿B-B线剖开的剖视图。图11为图10中C部分的放大图。
如图1至图11所示,本发明公开了一种用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其包括圆盘10(例如Arcan圆盘)、多块加载块20、多块压块30,至少两个加载叉40和至少两个夹持段50。其中,圆盘10由两块圆盘主体11拼合而成,每一圆盘主体11的前后两表面分别开设有对应的卡槽60。加载块20分别安装在对应的卡槽60内,将复合材料试验件70夹紧在加载块20之间。压块30分别安装在对应的卡槽60内,且与对应的加载块20相抵,并保证压块30向加载块20施加安装限位预紧力。加载叉40的一端相对地固定在圆盘10上,加载叉40的另一端与对应夹持段50的一端连接。
优选地,卡槽60为梯形卡槽61,位于每一圆盘主体11的前后两表面上卡槽60的形状相同且位置相对。
进一步优选地,梯形卡槽61向内延伸形成一矩形卡槽62,矩形卡槽62与梯形卡槽61连通,将加载块20安装在梯形卡槽61内,压块30安装在矩形卡槽62内。
特别地,此处加载块20的内表面可以设置为锯齿面21。复合材料试验件70的两端的前后两面均设置有加强片71,加载块20的锯齿面21相贴合。其中,加强片71通常采用软铝材质进行制备,材料硬度较小,便于夹具锯齿面咬入并传递载荷,加强片71通过树脂胶固化后粘贴在复合材料试验件70加持段表面。
另外,压块30优选为单边楔形压块。加载块20和压块30上开设有多个通孔,相对设置的加载块20之间和压块30之间分别通过多个拧紧螺栓80对应穿过所述通孔固定。在拧紧螺栓80上安装有备紧螺母81。
所述工装夹具通过在圆盘主体11的中心两侧面分别加工一个梯形卡槽61,用于安放与复合材料试验件70的加强片71相咬合接触的具有锯齿内面的加载块20,加载块20的截面形状与梯形卡槽61相同,两者间通过在梯形卡槽61两斜侧面的接触进行安装限位和载荷传递。
同时,在加载块20的底侧面与梯形卡槽61底侧面设计有预留间隙,并且加载块20的底侧面优选为一斜面,两者间的间隙横截面为一直角梯形。设计有横截面形状与上述直角梯形间隙相似的单边楔形压块,将所述单边楔形压块压入上述间隙,使得所述单边楔形压块的两侧面分别与梯形卡槽61的底侧面和加载块20的底侧面斜面相接触压实进行安装限位并传递接载荷,所述单边楔形压块的压紧力由穿过所述单边楔形压块和圆盘主体11的两根拧紧螺杆80和对应的备紧螺母81提供。至此加载块20与圆盘主体11和所述单边楔形压块之间通过接触面间的安装限位、螺栓提供的安装预紧力而完成了机械连接安装,加载块20被完全固定在了圆盘10上。
此外,圆盘主体11上还开设有若干加载孔12。加载叉40与对应圆盘主体11之间通过加载销41固定。
安装状态下,带有加强片的复合材料试验件70的加持段被对称地放置于两个加载块20中间,两个加载块20通过两根穿过其的拧紧螺栓80,向复合材料试验件70的加强片71施加外法线方向上的压力。加载块20与加强片71的接触面为锯齿面21,在面外法线方向压力的作用下加载块20上的锯齿会咬进加强片71,进而在两者的接触面间产生显著的摩擦力而阻止两者间发生相对位移。通过上述设计试验载荷可以由加载块传递到试验件上。
至此,试验载荷可以由圆盘10传递到加载块20上再传递到复合材料试验件70上,而试验机所施加的试验载荷则通过加载叉40和加载销41,并配合圆盘主体11上的多组加载孔传递到圆盘10上,并最终实现对复合材料试验件70的加载并测得多个方向上的断裂强度性能。
根据上述结构描述,本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具的安装过程具体为:首先,将两块加载块20和两块压块30分别放置于两块圆盘主体11(两块圆盘主体11拼合成Arcan圆盘)同一侧的卡槽60内,并将八根拧紧螺栓80对应穿过加载块20和压块30上的通孔。然后,将两块圆盘主体11放置于一水平安装台上,按试验设计要求调整两块圆盘主体11的相对位置,并保证加载块20和压块30与两块圆盘主体11朝下面的卡槽60间的接触斜面相互贴合定位,此状态下对应的安装示意图如图5和图6所示。
随后,按照相对的位置要求,将带有加强片71的复合材料试验件70放置于加载块20的锯齿面21上,保证加强片71的外表面与加载块20的锯齿面21相贴合。
然后,依次安装两块圆盘主体11的另一侧(朝上面)的两块加载块20和压块30,使得加载块20和压块30上的通孔被拧紧螺栓80穿过,调整加载块20和压块30与对应圆盘主体11的相对位置,使得三者在彼此间的接触斜面上保持贴合定位。
其次,依次交替拧紧加载块20对应拧紧螺栓80上的备紧螺母81与压块30对应拧紧螺栓80上的备紧螺母81,压紧加载块20和压块30,最终使得加载块20的锯齿面21上的锯齿咬进复合材料试验件70的加强片71,从而保证两者间咬合面存在足够的约束力可以使得试验件发生断裂破坏。同时使得楔形压块30在加载块20和圆盘主体11的卡槽60间施加足够的安装限位预紧力,保证圆盘10、加载块20和压块30之间不发生相对位移,进而完成试验载荷的传递。上述安装过程示意图如图7和图8所示。
至此完成了复合材料试验件70与圆盘主体11之间的机械安装。安装完成后圆盘10与复合材料试验件70安装区域的剖面示意图如图9-11所示。
随后,依据试验加载设置要求,选取圆盘10上的一对相应的加载孔12。然后借助两个加载销41将一对加载叉40安装在圆盘主体11上。
最后,加载叉40的加持段50被加载试验机的夹头夹住,进而对加载叉40施加位移载荷,并最终完成了试验载荷从加载试验机到加载叉40、到圆盘10、到加载块20再到复合材料试验件70上的传递,试验载荷被以设计的形式施加到复合材料试验件70上,并进行复合材料多个方向上断裂强度性能的测试。
本发明用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具利用该试验夹具可以对陶瓷基复合材料多个方向上的断裂强度性能进行试验测试。上述试验夹具在试验件安装和试验载荷传递路径上所具有的自适应斜面安装定位功能,可以解决试验施加载荷方向与设计形式容易存在偏差的问题,降低试验件和试验工装的加工难度和精度要求,并延长试验工装夹具的使用寿命。
上述设计的陶瓷基复合材料多方向上断裂强度性能测试用试验夹具,通过机械连接的方式完成了带有铝制加强片的陶瓷基复合材料试验件在所述工装夹具上的机械安装,拆装操作简便,有利于提高试验测试工作效率。Arcan圆盘工装夹具的不同安装块之间均采用斜面配合接触,能够实现各自相对位置的自适应调整,确保试验载荷传递路径上没有配合间隙,有利于保证试验载荷方向以正确的设计形式传递施加到试验件上,保证了良好的试验加载效果和加载精度要求。所设计的试验件加持段结构形式简单,无需在加持段加工加载孔,降低了试验件加工制备难度和成本。所述工装夹具便于加工,夹具上的对称结构尺寸一致性精度要求容易达到,进而降低试验件和夹具尺寸精度误差对测试结果精准性的影响。陶瓷基复合材料试验件和工装夹具结构形式简单,工装夹具上影响试验加载效果的相关尺寸精度要求较低,降低了工装夹具加工难度和成本。在试验载荷传递过程中,Arcan圆盘工装夹具不同安装块间的挤压应力水平较低,有利于延长夹具使用寿命。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这些仅是举例说明,本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式作出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述工装夹具包括:
圆盘,由两块圆盘主体拼合而成,每一所述圆盘主体的前后两表面分别开设有对应的卡槽;
多块加载块,所述加载块分别安装在对应的所述卡槽内,将复合材料试验件夹紧在所述加载块之间;
多块压块,所述压块分别安装在对应的所述卡槽内,且与对应的所述加载块相抵,向所述加载块施加安装限位预紧力;
至少两个加载叉和至少两个夹持段,所述加载叉的一端相对地固定在所述圆盘上,所述加载叉的另一端与对应所述夹持段的一端连接。
2.如权利要求1所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述卡槽为梯形卡槽,位于每一所述圆盘主体的前后两表面,上所述卡槽形状相同且位置相对。
3.如权利要求2所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述梯形卡槽向内延伸形成一矩形卡槽,所述矩形卡槽与所述梯形卡槽连通,所述加载块安装在所述梯形卡槽内,所述压块安装在所述矩形卡槽内。
4.如权利要求1所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述加载块的内表面为锯齿面。
5.如权利要求4所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述复合材料试验件的两端的前后两面均设置有加强片,所述加载块的锯齿面与所述加强片相贴合。
6.如权利要求1所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述压块为单边楔形压块。
7.如权利要求1所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述圆盘主体上开设有若干加载孔。
8.如权利要求1所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述加载叉与对应所述圆盘主体之间通过加载销固定。
9.如权利要求1所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述加载块和所述压块上开设有多个通孔,相对设置的所述加载块之间和所述压块之间分别通过多个拧紧螺栓对应穿过所述通孔固定。
10.如权利要求9所述的用于测试陶瓷基复合材料断裂强度的工装夹具,其特征在于,所述拧紧螺栓上安装有备紧螺母。
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