CN111624099B - 一种适用于高低温环境下的复合材料层合板ii型疲劳分层试验装置 - Google Patents
一种适用于高低温环境下的复合材料层合板ii型疲劳分层试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种适用于高低温环境下的复合材料层合板II型疲劳分层试验装置，该装置包括：底座、压盖、矩形孔、滚柱、夹头。通过本发明能够实现对试件的加持，并通过疲劳试验机对试件进行负应力比条件下的II型疲劳加载。此外，本试验装置在试件长度方向可灵活调节结构尺寸，极大地降低了对环境箱空间尺寸的要求，便于不同环境下的II型疲劳分层试验。本发明适用于航空航天工程等领域，用于测试高低温环境下复合材料层合板在负应力比条件下的疲劳分层扩展速率与损伤机理研究，为航空航天结构损伤容限设计提供技术支撑和理论基础，保障结构服役过程中的完整性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于高低温环境下的复合材料层合板II型疲劳分层试验装置，适用于航空航天等领域广泛使用的复合材料层合板疲劳断裂行为与失效机理的研究。
背景技术
碳纤维增强复合材料由于比强度和比模量高等优异的力学性能而在在航空航天领域得到了极为广泛的应用。层合结构是复合材料构件的常见应用方式，预浸料按照设计的角度铺设，每层预浸料包含增强纤维和基体，相邻预浸料的基体材料最后固化形成复合材料构件。复合材料层合结构在厚度方向缺乏增强，因此在面外载荷特别是冲击情况下容易分层损伤，造成结构刚度和强度的显著下降，对结构整体性和安全性构成威胁。
分层可以分为I型、II型和III型三种基本形式，其中II型分层是一种层合板面内滑动的层间开裂。针对复合材料单向层板的II型分层，研究者开展了大量研究并建立了II型静力分层的国际测试标准。通常采用三点弯试验装置来实现纯II型的分层扩展。
参照II型静力分层试验标准，研究者通常采用相同的三点弯试验装置开展疲劳分层试验。但是通过三点弯试验装置只能施加正应力比条件下的II型疲劳载荷。工程应用中的复合材料结构在实际服役过程中可能遭受负应力比情况下的II型疲劳载荷。此外，复合材料结构的工作环境常为高低温。
为研究复合材料结构在高低温环境下和负应力比载荷下的疲劳分层扩展行为和失效机理，有必要设计一种可实现负应力比加载的II型疲劳分层试验装置。此外，该装置应该是结构尺寸可调的，以便于放置在空间受限的高低温环境箱中。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：如何设计一种试验装置来有效实现复合材料层合结构在负应力比条件下的II型疲劳加载；此外，如何使装置结构尺寸可调以适应空间有限的高低温环境箱。
为了实现上述问题，本发明试验装置采用了如下技术方案：
设计一种试验装置，包括底座、压盖、开孔矩形块、滚柱、夹头，所述底座与MTS试验机连接；所述压盖有4个通孔，压盖与底座通过螺钉夹持复合材料试件一端；所述两对开孔矩形块与滚柱均采用过隙配合，用胶水分别粘贴在复合材料试件另一端的上下两面；所述夹头与MTS试验机连接并传递载荷；当MTS通过夹头向下施加载荷时，夹头窗口的上表面与上滚柱接触，夹头窗口的下表面与下滚柱分离；当MTS通过夹头向上施加载荷时，夹头窗口的下表面与下滚柱接触，夹头窗口的上表面与上滚柱分离。如此可实现负应力比条件下的II型疲劳载荷施加。
该试验装置提供了一种用于测试复合材料试件II型疲劳分层行为的试验台。该装置包括用于夹紧试件一端的夹具。还包括用于接触试件一侧的上接触装置和用于接触部件另一侧的下接触装置，上、下接触装置与夹具隔开。试验装置还包括一个夹头，用于向试件施加负载。
夹头的窗口提供上接触表面和下接触表面，当夹头向下加载试件时，上接触表面接触上接触装置，并且下接触表面与下接触装置隔开，当夹头以相反方向加载试件时，上接触表面与上接触装置隔开，并且下接触表面与下接触装置接触。
夹头可以直接连接到伺服液压试验机的力传感器。夹头也可以通过连接到第三个构件的连杆连接到力传感器，以适应环境箱的使用要求。
夹头的设计包括两个窗口，该窗口用于定义与各个接触装置接触的上、下接触表面。窗口的形状和尺寸可允许上、下接触装置在与加载方向垂直的方向上滑动。窗口可以是长方形的，窗口可以包括圆角。
所述上、下接触装置包括用于粘合到所述复合材料试件的开孔矩形块。开孔矩形块可以使用粘合剂粘合到复合材料试件上。
所述夹头向上移动，对试件施加正向载荷，夹头沿下移动，对试件施加负向载荷。夹头在给定的时间内往复上下移动，实现负应力比下的循环加载。
附图说明
图1是试验装置的等轴测视图；
图2是试验装置与MTS试验机的装配图；
图3是试验装置与温箱的装配图；
图4是上、下接触装置的装配图；
图5是夹头向下移动时的侧视图；
图6是夹头向上移动时的侧视图；
图7是夹头的工程图；
图8是底座的工程图；
图9是压盖的工程图。
图10是开孔矩形块的工程图。
图11是滚柱的工程图。
图12是试件的工程图。
具体实施方式
参看附图1，用螺栓将所述试验装置安装在MTS试验机上，用于开展复合材料层合板在负应力比条件下的II型疲劳分层试验。
如附图1，夹头通过定位螺纹孔确定位置，保证装置与MTS试验机的加载装置位置同轴线；压盖与底座通过螺钉对复合材料试件的一端进行夹持；两对开孔矩形块与滚柱均采用过隙配合，用胶水分别粘贴在复合材料试件另一端的上下两面；夹头与MTS试验机连接；上、下滚柱在夹头上下接触面之间进行滚动。
高低温环境箱一般内部空间有限，通过在试验装置中的底座下方安装导轨可实现装置在试样方向的自由移动，以此来解决环境箱尺寸空间受限的问题。
本发明的底座压盖用于固定试件的一端，采用4个M6的内六角螺钉连接压紧，所述压盖有凹槽用于固定试件防止实验时产生偏移。
本发明的接触装置由开孔矩形块和滚柱构成，所述开孔矩形块和滚柱采用过隙配合，实验时可加入润滑油，使其能够减少滚动摩擦，增加装置使用寿命。
本发明的滚子末端有2个销孔，该销孔插入销钉可限制疲劳实验时滚子侧方位移动，防止脱落。
本发明的夹头的螺纹孔与MTS试验机连接，加工时要保证螺纹孔的精确位置，还要保证与MTS试验机轴向的同心度。
本发明的所有零件表面粗糙度要达到3.2以上。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种适用于高低温环境下的复合材料层合板II型疲劳分层试验装置，包括静态加载系统和试件夹持系统，其特征在于：
设有夹头（1）与MTS试验机连接；第一开孔矩形块（2）与试件上表面粘贴；第二开孔矩形块（4）与试件下表面粘贴；上滚柱（3）与第一开孔矩形块（2）进行过隙配合；下滚柱（5）与第二开孔矩形块（4）进行过隙配合；夹头（1）开口高度需要特殊设计，来保证正负载荷的顺利过渡，降低过渡过程中可能产生的振动；所述上滚柱（3）和所述下滚柱（5）在夹头（1）的上下接触面之间运动，当MTS通过夹头向下施加载荷时，夹头窗口的上表面与上滚柱接触，夹头窗口的下表面与下滚柱分离，当MTS通过夹头向上施加载荷时，夹头窗口的下表面与下滚柱接触，夹头窗口的上表面与上滚柱分离，实现负应力比条件下的II型疲劳载荷施加；设有底座（6）与MTS试验机连接；压盖（7）与底座（6）夹持试件并通过4个螺钉（8）对试件一端进行固定；压盖（7）设计有凹槽用于固定试件，便于试件装夹过程中的空间定位，此外可防止疲劳实验时产生偏移；夹头的设计包括两个窗口，窗口的形状和尺寸可允许上、下接触装置在与加载方向垂直的方向上滑动，通过在试验装置中的底座下方安装导轨可实现装置在试样方向的自由移动，以此来解决环境箱尺寸空间受限的问题。
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