CN112067400A - 一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置和方法，所述试样制备方法区别于常规复合材料试样制备方法，基于复合材料特有的单胞属性，能够实现拉伸、压缩试样和加强片几何尺寸参数可变。该制备方法能够增加工装的通用性，减少工装成本，保证试样制作的平行度和垂直度，增加加强片与试样本体之间的结构胶分布均匀性，减少加强片的粘贴质量对操作人员依赖程度，保证试样加强片粘贴质量的稳定性和一致性，为试验数据的可靠性、离散性和真实性提供保障。

Description

一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置和方法
技术领域
本发明属于复合材料试样制备技术领域，具体为一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置和方法。
背景技术
众所周知，复合材料在进行拉伸、压缩等试验测试时，试样端部需要粘贴加强片作为夹持区，直接与夹具接触，保护试样本体，防止夹具对试样本体造成损伤，导致破坏提前发生，得不到科学、严谨的试验数据。以往在粘贴加强片的时候往往首先根据试样几何尺寸设计先将复合材料平板切割至所需的试样尺寸，然后在试样上采用划线的方式确定加强片粘贴位置，之后涂抹结构胶，粘接加强片之后采用机械方式固定，此方法往往会造成试样本体两侧的加强片不对正和测试区域尺寸不一致的问题，并且由于机械固定方式导致的加强片受力不均匀，加强片与试样本体之间的结构胶分布不均，往往导致加强片脱粘等现象发生。
复合材料在进行拉伸、压缩等试验时，往往对试样制作的平行度和垂直度要求很高，加强片与试样本体的垂直度与平行度不够将影响试样质量，继而直接影响试验数据的可靠性与真实性。
三维机织复合材料采用三维机织预制体作为增强材料通过树脂模塑传递成型工艺(RTM,Resin Transfer Molding)、树脂膜熔渗工艺(RFI，Resin Film Infusion)等工艺制备，三维机织预制体通过机织工艺制备，厚度方向存在增强纤维，使预制体形成了不会分层的整体网状结构，增加了复合材料的层间连接性能，使其具有比传统二维铺层复合材料更高的层间刚度、层间强度、抗冲击性能等，在航空航天、船舶、建筑、运动器械和医疗器械等方面具有广泛的应用空间。
与传统铺层复合材料相比，三维机织复合材料具有“单胞”概念，其试样的尺寸需要考虑单胞尺寸，一三斜纹三维机织复合材料单胞尺寸如图2所示，单胞尺寸随机织工艺用的纱线规格、经纬纱密度等工艺参数的变化而变化。另外，由于三维机织复合材料独特的单胞属性，使其具有一定的尺寸效应，在进行拉伸、压缩等试验测试时试样几何尺寸一般需要考虑一定的单胞数量，如拉伸、压缩试样一般要求其宽度尺寸不小于两倍单胞宽度，拉伸试样标定段长度不小于3倍单胞长度，压缩试样标定段长度不小于2倍单胞长度。因此在考虑一定单胞数量的情况下，试样的长度、宽度以及标定段长度等参数需要根据单胞尺寸的变化而变化，相应地，加强片的长度、宽度等参数也需要根据单胞尺寸的变化而变化，换言之，三维机织复合材料拉伸、压缩等试样制备需要实现试样和加强片的几何参数可变，复合材料试验常用的拉伸和压缩试样几何外形分别如图3和图4所示。
常用加强片粘贴工装常常针对特定类型和尺寸的试样进行设计，对于三维机织复合材料的适用性不强，加强片的粘贴质量对操作人员依赖程度较大，给后续试样精加工带来困难，难以保证试样加强片粘贴质量的稳定性和一致性。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置和方法。
为实现以上目的的技术解决方案如下：
一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置，包括两个竖直滑槽臂、两个端部定位滑动臂、两个中间定位滑动臂、四个定位滑块，所述两个竖直滑槽臂相互平行地设置于装置的两侧并设置有刻度线，所述两个端部定位滑动臂分别与所述两个竖直滑槽臂垂直设置，至少一个端部定位滑动臂能够沿两个竖直滑槽臂滑动，所述两个端部定位滑动臂呈L型，其中两个定位滑块位于第一端部定位滑动臂的L型水平边上且能够沿第一端部定位滑动臂的L型水平边滑动和固定，另两个定位滑块位于第二端部定位滑动臂的L型水平边上且能够沿第二端部定位滑动臂的L型水平边滑动和固定，所述定位滑块的滑动方向与竖直滑槽臂垂直，所述两个中间定位滑动臂分别与所述两个竖直滑槽臂垂直设置且位于两个端部定位滑动臂之间，所述两个中间定位滑动臂相互平行设置且能够沿两个竖直滑槽臂滑动和固定。
进一步地，所述第一端部定位滑动臂与两个竖直滑槽臂的一端固定连接，所述第二端部定位滑动臂能够沿两个竖直滑槽臂滑动和固定。
进一步地，所述两个端部定位滑动臂的L型水平边上与两个端部定位滑动臂垂直的方向分别设置有刻度线。
进一步地，所述两个竖直滑槽臂沿长度方向分别开设有竖直滑槽臂通槽，所述竖直滑槽臂通槽的两端处分别开设有竖直滑槽臂通孔。
进一步地，所述两个端部定位滑动臂在L型竖直边两端处分别设置有端部定位滑动臂通孔，在L型水平边上开设有端部定位滑动臂通槽。
进一步地，所述两个中间定位滑动臂呈L型，在中间定位滑动臂L型竖直边两端处分别设置有中间定位滑动臂通孔。
进一步地，所述四个定位滑块呈T型，T型水平边宽度大于端部定位滑动臂通槽的宽度，T型垂直边宽度等于端部定位滑动臂通槽的宽度。
采用上述的试样制备装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，确定所需试样的类型，依据其单胞尺寸确定试样外形尺寸、加强片几何外形与尺寸，选择合适的中间定位滑动臂，移动两个端部定位滑动臂、两个中间定位滑动臂以及四个定位滑块，确定加强片粘贴区域；
步骤二，将加强片放置到加强片粘贴区域；
步骤三，在加强片上均匀涂覆结构胶或粘贴结构胶膜；
步骤四，将试验平板一侧安装于所述加强片的上方；
步骤五，将安装有加强片和试验平板的装置包裹进真空袋中，对真空袋抽真空，放进热压罐加压升温使结构胶固化；
步骤六，按照步骤一至步骤五完成试验平板另一侧加强片粘贴；
步骤七，完成试样精加工。
进一步地，所述步骤五中对真空袋抽真空至-95kPa以下。
进一步地，所述试验平板为三维机织复合材料试验平板，所述加强片为铝板、环氧树脂或双马树脂玻纤板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过竖直滑槽臂、端部定位滑动臂、中间定位滑动臂、定位滑块形成的试样制备装置可实现试样的快速制备，结构简单，操作便利；
(2)本发明可变参数加强片粘贴工装能够实现拉伸、压缩等不同类型试样加强片粘贴，考虑到三维机织复合材料单胞尺寸的影响，能够实现试样的长度、宽度等参数可变，加强片的几何外形、长度、宽度等参数可变，本发明能够增加工装的通用性，减少工装成本，保证试样制作的平行度和垂直度，增加加强片与试样本体之间的结构胶分布均匀性，减少加强片的粘贴质量对操作人员依赖程度，保证试样加强片粘贴质量的稳定性和一致性，为试验数据的可靠性、离散性和真实性提供保障。
附图说明
图1为本发明试样制备装置结构示意图。
图2为一三斜纹三维机织复合材料单胞结构示意图。
图3为复合材料拉伸试样几何外形示意图。
图4为复合材料压缩试样几何外形示意图。
图5为竖直滑槽臂结构示意图。
图6为端部定位滑动臂结构示意图。
图7为所述复合材料拉伸试样用中间定位滑动臂结构示意图。
图8为所述复合材料压缩试样用中间定位滑动臂结构示意图。
图9为定位滑块结构示意图。
图10为拉伸试验件加强片固定示意图。
图11为拉伸试验件平板固定示意图。
图12拉伸试验件反面加强片固定示意图。
图13拉伸试验件精加工示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本实施例中提出一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置和方法，所述装置为可变参数加强片粘贴工装，包括两个竖直滑槽臂1、两个端部定位滑动臂2、两个中间定位滑动臂3、四个定位滑块4、四条刻度线5以及机械连接用的螺栓、螺母、垫片等组成，如图1所示；
所述两个竖直滑槽臂1，相互平行，位于工装两侧，并机加刻度线，如图5 所示；
所述两个端部定位滑动臂2，呈L型，如图6所示，相互平行，第一端部定位滑动臂2与前述两个竖直滑槽臂1采用螺栓等机械连接方式完全垂直固定，作为定位基准，第二端部定位滑动臂2与前述两个竖直滑槽臂1相互垂直，依据竖直滑槽臂1刻度线，可以沿着竖直滑槽臂1滑动和固定，实现加强片和试样长度方向外侧定位；
所述两个中间定位滑动臂3，呈L型，如图7和图8所示，相互平行，位于两个端部定位滑动臂2之间，机加刻度线，实现加强片和试样宽度方向精确定位，与前述两个竖直滑槽臂1相互垂直，依据竖直滑槽臂1刻度线，可以沿着竖直滑槽臂1滑动和固定，实现加强片内侧定位；
所述四个定位滑块4，如图9所示，位于两个中间定位滑动臂3L型水平边，依据两个端部定位滑动臂2刻度线，分别采用螺栓的方式实现滑动与固定，用于加强片和试验平板宽度方向定位；
结合图5，所述两个竖直滑槽臂1长度应大于常用试样最大长度，并具有一定的宽度和厚度保证该构件具有足够的刚度，其间距应大于常用试验平板的宽度；
所述两个竖直滑槽臂1几何外形和尺寸一致，表面机加刻度线，用于加强片和试样长度方向定位，并在合适的宽度位置机加长度方向通槽6，通槽6长度略短于竖直滑槽臂1长度；
所述两个竖直滑槽臂1在长度的两端分别设置一个通孔或螺纹孔7，通过螺栓与第一端部定位滑动臂2完全固定，作为定位基准；
结合图6，所述两个端部定位滑动臂2几何外形和尺寸一致，第一端部定位滑动臂2与第二端部定位滑动臂2可实现功能互换，两个端部定位滑动臂2与前述两个竖直滑槽臂1垂直排布，第一端部定位滑动臂2与两个竖直滑槽臂1端部通过螺栓等方式完全固定；
所述第二端部定位滑动臂2与第一端部定位滑动臂2相互平行，实现试样和加强片长度方向外侧的定位；
所述第二端部定位滑动臂2通过螺栓方式沿着滑槽臂滑动与固定，第二端部定位滑动臂2与第一端部定位滑动臂2之间的距离应等于试样的长度；
所述两个端部定位滑动臂2呈L型，其L外形竖直边两端从底面机加，机加厚度等于前述两个竖直滑槽臂1厚度，机加宽度等于前述两个竖直滑槽臂1宽度，以实现两个端部定位滑动臂2与两个竖直滑槽臂1垂直配合；
所述两个端部定位滑动臂2呈L型，其L外形竖直边厚度应大于常用试样厚度与加强片厚度之和；
所述两个端部定位滑动臂2呈L型，其L外形竖直边两端分别设置通孔9，第一端部定位滑动臂2通过螺栓等方式与前述两个竖直滑槽臂1完全固定，第二端部定位滑动臂2通过螺栓等方式在两个竖直滑槽臂1之间滑动与固定，以两个竖直滑槽臂1的刻度线为依据，实现加强片和试验平板长度方向精确定位；
所述两个端部定位滑动臂2呈L型，其L外形水平边厚度与前述两个竖直滑槽臂1厚度一致，并具有一定的宽度，作为加强片和试样粘贴时的外端部支撑面；
所述两个端部定位滑动臂2呈L型，其L外形水平边应在长度方向机加刻度线，在合适的宽度位置机加长度方向通槽8，通槽8长度略短于L外形水平边长度，并安装两个定位滑块4，该定位滑块4可沿着通槽滑8动和固定，以实现加强片和试验平板宽度方向精确定位；
结合图9，所述定位滑块4分别位于端部定位滑动臂2通槽8两侧，呈T型，能够沿通槽8移动，并通过螺栓等方式固定；
所述定位滑块4呈T型，其中T型水平边宽度大于通槽8宽度，且呈矩形状，竖直边宽度等于通槽8宽度，竖直边底部具有一固定螺纹孔11；
结合图7-8，所述两个中间定位滑动臂3与两个端部定位滑动臂2平行，主要用来实现加强片中间位置精确定位，确保试样标定段长度准确；
所述两个中间定位滑动臂3呈L型，其L外形水平边厚度与前述两个竖直滑槽臂1厚度一致，并具有一定的宽度，作为加强片粘贴时的内端部支撑面；
所述两个中间定位滑动臂3呈L型，其L外形竖直边两端从底面机加，机加厚度等于前述两个竖直滑槽臂1厚度，机加宽度等于前述两个竖直滑槽臂1宽度，以实现两个端部定位滑动臂2与两个竖直滑槽臂1垂直配合；
所述两个中间定位滑动臂呈L型，其L外形竖直边两端分别设置通孔10，通过螺栓等方式在前述两个竖直滑槽臂1之间滑动与固定，以两个竖直滑槽臂1 的刻度线为依据，实现加强片长度方向中间位置精确定位；
所述两个中间定位滑动臂3呈L型，其L外形竖直边厚度与加强片厚度一致，随拉伸试样、压缩试样等不同类型试样的几何外形匹配相应几何外形的中间定位滑动臂3，实现不同几何外形加强片粘贴。图7为拉伸试样中间定位滑动臂，图 8为压缩试样中间定位滑动臂，拉伸试样中间定位滑动臂有一个倒角区，压缩试样中间定位滑动臂没有。
所述试样制备装置可用于制备三维机织复合材料拉伸和压缩试样，由以下步骤完成：(1)依据试样类型、加强片几何外形和尺寸确定中间定位滑动臂3外形，移动两个端部定位滑动臂2、两个中间定位滑动臂3以及四个定位滑块4，确定加强片粘贴区域，如图10所示；(2)将粗加工的加强片放置到加强片粘贴区域，如图10所示；(3)在加强片上均匀涂覆结构胶或粘贴结构胶膜；(4)在将试验平板安装到所述工装内，如图11；(5)将含加强片、结构胶和试验平板在内的整个所述工装包裹进真空袋中，抽真空至-95kPa以下，确保试验平板粘贴压力均匀恒定；(6)将真空袋放入热压罐内加压升温固化，加热过程中保持真空度不变；(7)固化完成后再按照步骤(1)～(6)完成试验平板另一侧加强片粘贴，如图 12所示；(8)加强片粘贴完成后，进行试样精加工，完成试样制备，如图13所示。
所述三维机织复合材料试验平板，采用三维机织预制体作为增强材料，由 RTM或RFI等工艺制备，三维机织复合材料试验平板，也被称为2.5D编织复合材料，包括浅交弯联、浅交直联等平纹机织结构，也包括一二斜纹、一三斜纹、三一斜纹等斜纹机织结构，还包括三枚缎、五枚缎、八枚缎等缎纹机织结构，以上示例不涵盖全部机织结构，其余包含层与层连接的2.5D机织结构也应包含在本专利范围内，所述复合材料加强片，采用铝板、环氧树脂或双马树脂玻纤板，以及其他可适用于加强片的其他复合材料板材。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维纺织复合材料拉伸和压缩试样制备装置，其特征在于，包括两个竖直滑槽臂(1)、两个端部定位滑动臂(2)、两个中间定位滑动臂(3)、四个定位滑块(4)，所述两个竖直滑槽臂(1)相互平行地设置于装置的两侧并设置有刻度线，所述两个端部定位滑动臂(2)分别与所述两个竖直滑槽臂(1)垂直设置，至少一个端部定位滑动臂(2)能够沿两个竖直滑槽臂(1)滑动，所述两个端部定位滑动臂(2)呈L型，其中两个定位滑块(4)位于第一端部定位滑动臂的L型水平边上且能够沿第一端部定位滑动臂的L型水平边滑动和固定，另两个定位滑块(4)位于第二端部定位滑动臂的L型水平边上且能够沿第二端部定位滑动臂的L型水平边滑动和固定，所述定位滑块(4)的滑动方向与竖直滑槽臂(1)垂直，所述两个中间定位滑动臂(3)分别与所述两个竖直滑槽臂(1)垂直设置且位于两个端部定位滑动臂(2)之间，所述两个中间定位滑动臂(3)相互平行设置且能够沿两个竖直滑槽臂(1)滑动和固定。
2.根据权利要求1所述的试样制备装置，其特征在于，所述第一端部定位滑动臂与两个竖直滑槽臂(1)的一端固定连接，所述第二端部定位滑动臂能够沿两个竖直滑槽臂(1)滑动和固定。
3.根据权利要求1所述的试样制备装置，其特征在于，所述两个端部定位滑动臂(2)的L型水平边上与两个端部定位滑动臂(2)垂直的方向分别设置有刻度线。
4.根据权利要求1所述的试样制备装置，其特征在于，所述两个竖直滑槽臂(1)沿长度方向分别开设有竖直滑槽臂通槽(6)，所述竖直滑槽臂通槽(6)的两端处分别开设有竖直滑槽臂通孔(7)。
5.根据权利要求3所述的试样制备装置，其特征在于，所述两个端部定位滑动臂(2)在L型竖直边两端处分别设置有端部定位滑动臂通孔(9)，在L型水平边上开设有端部定位滑动臂通槽(8)。
6.根据权利要求1所述的试样制备装置，其特征在于，所述两个中间定位滑动臂(3)呈L型，在中间定位滑动臂(3)L型竖直边两端处分别设置有中间定位滑动臂通孔(10)。
7.根据权利要求5所述的试样制备装置，其特征在于，所述四个定位滑块(4)呈T型，T型水平边宽度大于端部定位滑动臂通槽(8)的宽度，T型垂直边宽度等于端部定位滑动臂通槽(8)的宽度。
8.采用权利要求1-7任一项所述的试样制备装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，确定所需试样的类型，依据其单胞尺寸确定试样外形尺寸、加强片几何外形与尺寸，选择合适的中间定位滑动臂(3)，移动两个端部定位滑动臂(2)、两个中间定位滑动臂(3)以及四个定位滑块(4)，确定加强片粘贴区域；
步骤二，将加强片放置到加强片粘贴区域；
步骤三，在加强片上均匀涂覆结构胶或粘贴结构胶膜；
步骤四，将试验平板一侧安装于所述加强片的上方；
步骤五，将安装有加强片和试验平板的装置包裹进真空袋中，对真空袋抽真空，并放进热压罐加压升温使结构胶固化；
步骤六，按照步骤一至步骤五完成试验平板另一侧加强片粘贴；
步骤七，完成试样精加工。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤五中对真空袋抽真空至-95kPa以下。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述试验平板为三维机织复合材料试验平板，所述加强片为铝板、环氧树脂或双马树脂玻纤板。
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