CN112504807A - 一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，包括预张力施加系统（16）及单轴加载系统（15）；预张力施加系统（16）包括钢框架（1）、传力螺杆（2）、移动式夹具（3）、高密度弹簧（5）、测力计（6）、穿心螺母（4）、移动式卡钳（11）；单轴加载系统（15）包括加载框架（12）、加载伸缸（13）、导向式刺具连接器（14）、刺具；本发明采用了双向加载方式，可依据实际工程需求，有效模拟柔性膜材实际使用过程中刺破性能的测试，实现任意应力比例、应力水平的双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的研究，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。

Description

一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置
技术领域
本发明涉及柔性膜材力学性能的测试技术领域，具体是一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置。
背景技术
柔性膜材因具有柔韧性、设计灵活及高比强度等优异性能，在国防及民用领域中有广泛的应用，包括防弹衣、装甲板、织物增强头盔等军用领域，以及安全气枕及空间可展开结构（气囊，帆和降落伞等）、张拉及充气膜建筑等民用领域。在实际工程应用中，刺入破坏是一类常见的失效形式，例如弹丸穿刺，膜建筑膜面尖锐物偶然刺破、风致碎片刺破等，因此，掌握柔性膜材刺破力学性能及破坏机理对于提高膜材抗刺破强度、减小偶然刺破的概率、膜材安全性损伤评估非常重要。柔性膜材在建筑邻域使用中往往处于双向张紧的复杂力学状态，尖锐物偶然刺破可能会引起整个膜材的撕裂扩展，严重时甚至导致整个结构的垮塌，对于膜结构的安全性和适用性构成严重的挑战；双向张拉应力状态是柔性膜材的刺破性能关键因素，针对双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的研究意义深远。现如今，国内外关于刺破性能的测试装置较少，且主要集中于单向/无张拉力、或预张力状态不确定的应力情况，而柔性膜材在工程应用中往往处于双向受力的复杂状态，能够实现任意比例、应力水平双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的测试装置缺乏，并且现有装置存在精确性不足、可操作性及适用性欠缺等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，实现相关刺破速率范围内任意应力比例、应力水平的双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的测试。
本发明解决的技术问题所采取的技术方案为：
一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，包括预张力施加系统及单轴加载系统；预张力施加系统包括钢框架、传力螺杆、移动式夹具、高密度弹簧、测力计、穿心螺母、移动式卡钳，所述的钢框架为十字形框架，具有足够的强度和刚度，是主要的承力部件，内侧设置U形滑槽，框架四周端部留有孔洞，在其伸臂上表面设有刻度尺，所述的传力螺杆为带螺纹的圆形钢棒，设置在装置的轴线上，用于部件连接与传力，所述的测力计设置在两个方向的传力螺杆上，并通过套筒螺栓实现两传力螺杆之间连接，用于双向轴力的测量，所述的移动式夹具设置在钢框架四周的伸臂内，其上设置了固定膜材的固定旋钮，并通过移动式夹具端部的螺纹接头与传力螺杆连接，所述的穿心螺母为带有内螺纹的钢环，对称设置在钢框架外部的传力螺杆上，在穿心螺母和钢框架之间设置高密度弹簧，通过旋转穿心螺母压缩高密度弹簧将荷载传到钢框架上，实现单/双轴预张力的施加，所述的垫圈设置在高密度弹簧与钢框架之间，用于均匀传递荷载，所述的移动式卡钳设置在钢框架的四周伸臂上，用来固定穿心螺母与钢框架的距离；单轴加载系统包括加载框架、加载伸缸、导向式刺具连接器、刺具，其特征在于：所述的加载框架为双层筒形框架，预张力施加系统设置在加载框架低层口形承台中央处，并通过钢框架与之焊接固定，所述的加载伸缸设置在加载框架顶层中央下方，与加载框架焊接连接，用于可调速加载和记录刺破过程中荷载及位移等关键数据，所述的导向式刺具连接器设置在加载伸缸的底部，由固定套筒、导向滑槽、转向预紧螺栓、横向预紧螺栓及滑动式刺具安装槽构成，导向滑槽包括滑槽及螺纹转动盘，将螺纹转动盘穿过固定套筒通过螺纹连接口与滑槽相连接，然后将固定套筒顶面焊接于加载伸缸底面中心处，横向预紧螺栓分别穿过矩形垫片和滑槽通过螺纹接口与滑动式刺具安装槽相连，转向预紧螺栓横向分别穿过曲面垫片和固定套筒通过螺纹接口与导向滑槽连接，滑动式刺具安装槽用来连接刺破相关的刺具，转向预紧螺栓和横向预紧螺栓分别控制刺具的转动和水平移动，导向式刺具连接器可以实现试样有效区域内任意坐标的刺破定位，进而实现针对试样任意部位的刺入测试，所述的刺具设置在滑动式刺具安装槽内，刺具的柱状接头外表面与安装槽内表面贴合，通过连接棒与之连接，刺具的种类和形状可根据研究方案选择性定制，例如圆锥及方锥刺具的锥面倾角，片状刺具的刺头形状等。
所述穿心螺母设置在钢框架外部的传力螺杆上，转动穿心螺母通过压缩高密度弹簧将荷载传到钢框架上，实现单/双轴预张力的施加。
所述测力计设置在双向的传力螺杆上，通过测力计来实时记录和观察单向/双向张力的变化。
所述移动式卡钳设置在钢框架的四周伸臂上，待膜材张拉力施加完成之后，用于固定穿心螺母与钢框架之间的距离，防止测试过程中穿心螺母向内滑移，保证预张力施加的准确性。
所述加载伸缸用于可调速加载和记录刺破过程中荷载及位移等关键数据，加载伸缸类别及功能依据实际需求选取，例如所需加载速率范围，加载限值等。
所述移动式夹具上设置固定旋钮，通过固定旋钮转动顶进压片对于膜材均匀施加夹持力，固定旋钮尺寸及数量和压片尺寸可根据移动式夹具尺寸及实际需求确定，保证测试过程中织物膜材夹持稳定。
所述转向及横向预紧螺栓均通过转动螺栓帽，增加垫片与接触钢表面间的夹持力，来实现刺具方位的固定。
所述用于测试的膜材试样形状，根据测试方案选取十字形或矩形试样，其尺寸根据实际装置尺寸及测试需求确定。
所述导向滑槽包括滑槽及螺纹转动盘，螺纹转动盘穿过固定套筒通过螺纹连接口与滑槽相连接，螺纹转动盘底面与固定套筒内环顶面贴合，螺纹连接口的顶面与固定套筒内环底面贴合，且具有转动自由度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
本发明采用了双向加载方式，可依据实际工程需求，有效模拟柔性膜材实际使用过程中刺破性能的测试，实现任意应力比例、应力水平的双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的研究，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。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明的部分结构三维示意图，示意预张力施加系统结构。
图3是本发明的部分结构三维示意图，示意单轴加载系统结构。
图4是本发明的部分结构二维示意图，示意预张力施加系统平面图。
图5是本发明的部分结构二维示意图，示意预张力施加系统侧视图。
图6是本发明的部分结构二维示意图，示意移动式夹具组成结构。
图7是本发明的部分结构二维示意图，示意钢框架侧视图。
图8是本发明的部分结构三维示意图，示意移动式卡钳组成结构。
图9是本发明的部分结构三维示意图，示意钢框架结构。
图10是本发明的部分结构三维示意图，示意导向式刺具连接器组成结构。
图11是本发明的部分结构三维示意图，示意导向滑槽组成结构。
图12是本发明的部分结构三维示意图，示意转向及横向预紧螺栓组成结构。
图13是本发明的部分结构二维示意图，示意固定套筒的刨面图。
图14是本发明的十字形测试试样示意图。
图15是本发明矩形测试试样示意图。
图16是本发明的部分结构三维示意图，示意片状刺具组成结构。
图17是本发明的部分结构三维示意图，示意圆锥刺具组成结构。
图18是本发明的部分结构三维示意图，示意方锥刺具组成结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
图中：1.钢框架、2.传力螺杆、3.移动式夹具、4.穿心螺母、5.高密度弹簧、6.测力计、7.套筒螺栓、8.固定旋钮、9.垫圈、10.压片、11. 移动式卡钳、12. 加载框架、13.加载伸缸、14.导向式刺具连接器、15.单轴加载系统、16.预张力施加系统、17.转向预紧螺栓、18.横向预紧螺栓、19.滑动式刺具安装槽、20.导向滑槽、21.固定套筒、22.螺纹转动盘、23.曲面垫片、24.矩形垫片、25.连接棒、26.片状刺具、27.圆锥刺具、28.方锥刺具。
如附图1-7所示，一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，包括预张力施加系统及单轴加载系统；预张力施加系统包括钢框架1、传力螺杆2、移动式夹具3、高密度弹簧5、测力计6、穿心螺母4、移动式卡钳11，所述的钢框架1为十字形框架，具有足够的强度和刚度，是主要的承力部件，内侧设置U形滑槽，框架四周端部留有孔洞，在其伸臂上表面设有刻度尺，所述的传力螺杆2为带螺纹的圆形钢棒，设置在装置的轴线上，用于部件连接与传力，所述的测力计6设置在两个方向的传力螺杆2上，并通过套筒螺栓7实现两传力螺杆2之间连接，用于双向轴力的测量，所述的移动式夹具3设置在钢框架1四周的伸臂内，其上设置了固定膜材的固定旋钮8，并通过螺纹接头与传力螺杆2连接，所述的穿心螺母4为带有内螺纹的钢环，对称设置在钢框架1外部的传力螺杆2上，在穿心螺母4和钢框架1之间设置高密度弹簧5，通过其旋转压缩高密度弹簧5将荷载传到钢框架1上，实现单/双轴预张力的施加，所述的垫圈9设置在高密度弹簧与5钢框架1之间，用于均匀传递荷载，所述的移动式卡钳11设置在钢框架1的四周伸臂上，用来固定穿心螺母4与钢框架1的距离；单轴加载系统15包括加载框架12、加载伸缸13、导向式刺具连接器14、刺具，其特征在于：所述的加载框架12为双层筒形框架，预张力施加系统设置在加载框架12低层口形承台中央处，并通过钢框架1与之焊接固定，所述的加载伸缸13设置在加载框架12顶层中央下方，与加载框架12焊接连接，用于可调速加载和记录刺破过程中荷载及位移等关键数据，所述的导向式刺具连接器14设置在加载伸缸13的底部，由固定套筒21、导向滑槽20、转向预紧螺栓17、横向预紧螺栓18及滑动式刺具安装槽19构成，导向滑槽20包括滑槽及螺纹转动盘22，将螺纹转动盘22穿过固定套筒21通过螺纹连接口与滑槽相连接，然后将固定套筒21顶面焊接于加载伸缸13底面中心处，横向预紧螺栓18分别穿过矩形垫片24和滑槽通过螺纹接口与滑动式刺具安装槽19相连，转向预紧螺栓17横向分别穿过曲面垫片23和固定套筒21通过螺纹接口与导向滑槽20连接，滑动式刺具安装槽19用来连接相关的刺具，转向预紧螺栓17和横向预紧螺栓18分别控制刺具的转动和水平移动，导向式刺具连接器14可以实现试样有效区域内任意坐标的刺破定位，进而实现针对试样任意部位的刺入测试，所述的刺具设置在滑动式刺具安装槽19内，刺具的柱状接头外表面与安装槽内表面贴合，通过连接棒25与之连接，刺具的种类和形状可根据研究方案选择性定制，例如圆锥27及方锥刺具28的锥面倾角，片状刺具26的刺头形状等；本发明采用了双向加载方式，可依据实际工程需求，有效模拟柔性膜材实际使用过程中刺破性能的测试，实现任意应力比例、应力水平的双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的研究，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。
具体试验方法如下：
第一步，确定试验方案，例如膜材的偏轴角度、双向的应力比例、应力水平及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，对于双向应力作用下膜材刺破性能的研究通常选用带有伸臂的十字形试样见图10，伸臂之间采用圆角过渡；对于单向荷载作用下膜材刺破性能的研究通常采用矩形试样见图11，试样的尺寸根据实际装置尺寸和测试需求确定；
第二步，根据试样尺寸，参照钢框架1伸臂上的刻度尺，将移动式夹具3调整到所需相同刻度处，高密度弹簧5放置在穿心螺母4与钢框架1之间，且与垫圈9密贴，垫圈9与钢框架1之间始终接触，然后，调节穿心螺母4至与高密度弹簧5相接触，保持传力螺杆2位置不变；
第三步，将试样夹持区域放入移动式夹具3中，通过转动固定旋钮8顶进带有凹凸面的压片10对于试样施加均匀夹持力见图6，固定旋钮8数量根据实际需求确定，保证测试过程中测试膜材夹持稳定；
第四步，为了减弱或者消除试样非弹性变形及初始缺陷的影响，参照钢框架1上表面的刻度尺，双向对称调节穿心螺母4给膜材施加所需初始预张力，待稳定一段时间后，相同方法二次调节穿心螺母4将试样双向张拉力加载到方案值，稳定后，将移动式卡钳11设置在钢框架1的四周伸臂上，调节卡钳旋钮至螺纹杆与穿心螺母4相接触，固定穿心螺母4与钢框架1的距离，防止测试过程中穿心螺母4向内滑移，影响测试结果；
第五步，依据试验方案及测试需求选取刺破工具，将需求刺具安装在单轴加载系统的导向式刺具连接器14内，通过连接棒25与滑动式刺具安装槽19连接，保证刺破工具在测试过程中的稳定性，依据试验方案调节横向18及转向预紧螺栓17固定刺具方位。
第六步，参照相关试验方案通过操控单轴加载系统15，在所需的刺破速率下进行柔性膜材刺破性能的测试，处理加载伸缸记录的荷载、位移等关键数据，获得各应力比下膜材刺入破坏的荷载位移曲线，通过高速相机记录试验过程中的刺破形态等，实现应力比例、应力水平的双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的分析，包括最大刺破力、刺破刚度变化、刺破机理及刺破所需的面外位移等。
综上所述，本发明一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，能够实现相关刺破速率范围内任意应力比例、应力水平的双向张拉荷载下柔性膜材刺破性能的测试，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。

Claims (9)

1.一种适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：包括预张力施加系统（16）及单轴加载系统（15）；预张力施加系统（16）包括钢框架（1）、传力螺杆（2）、移动式夹具（3）、高密度弹簧（5）、测力计（6）、穿心螺母（4）、移动式卡钳（11），所述钢框架（1）为十字形框架，内侧设置U形滑槽，框架四周端部设有孔洞，在钢框架（1）四周伸臂上表面设有刻度尺，传力螺杆（2）为带螺纹的圆形钢棒，设置在钢框架（1）的对称轴线上，测力计（6）设置在两个方向的传力螺杆（2）上，并通过套筒螺栓（7）实现两传力螺杆（2）之间连接，移动式夹具（3）设置在钢框架（1）四周的伸臂内，通过移动式夹具（3）端部的螺纹接头与传力螺杆（2）连接，移动式夹具（3）上设置固定膜材试样的固定旋钮（8），移动式夹具（3）内部设置可与固定旋钮（8）相接触的压片（10），压片（10）为带有凹凸面的矩形钢片，穿心螺母（4）为带有内螺纹的钢环，对称设置在钢框架（1）外部的传力螺杆（1）上，在穿心螺母（4）和钢框架（1）之间设置高密度弹簧（5），垫圈（9）设置在高密度弹簧（5）与钢框架（1）之间，移动式卡钳（11）设置在钢框架（1）的四周伸臂上，处于穿心螺母（4）与钢框架（1）之间；单轴加载系统（15）包括加载框架（12）、加载伸缸（13）、导向式刺具连接器（14）、刺具，加载框架（12）为双层筒形框架，预张力施加系统（16）设置在加载框架（12）低层口形承台中央处，并通过钢框架（1）与之焊接固定，加载伸缸（13）设置在加载框架（12）顶层中央下方，与加载框架（12）焊接连接，导向式刺具连接器（14）设置在加载伸缸（13）的底部，由固定套筒（21）、导向滑槽（20）、转向预紧螺栓（17）、横向预紧螺栓（18）及滑动式刺具安装槽（19）构成，导向滑槽（20）包括滑槽及螺纹转动盘（22），螺纹转动盘（22）穿过固定套筒（21）通过螺纹连接口与滑槽相连接，固定套筒（21）顶面焊接于加载伸缸（13）底面中心处，横向预紧螺栓（18）分别穿过矩形垫片（24）和滑槽通过螺纹接口与滑动式刺具安装槽（19）相连，转向预紧螺栓（17）横向分别穿过曲面垫片（23）和固定套筒（21）通过螺纹接口与导向滑槽（20）连接，刺具设置在滑动式刺具安装槽内，刺具的柱状接头外表面与安装槽内表面贴合，通过连接棒（25）与之连接。
2.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述穿心螺母（4）设置在钢框架（1）外部的传力螺杆（2）上，转动穿心螺母（4）通过压缩高密度弹簧（5）将荷载传到钢框架（1）上，实现单/双轴预张力的施加。
3.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述测力计（6）设置在双向的传力螺杆（2）上，通过测力计（6）来实时记录和观察单向/双向张力的变化。
4.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述移动式卡钳（11）设置在钢框架（1）的四周伸臂上，待膜材张拉力施加完成之后，用于固定穿心螺母（4）与钢框架（1）之间的距离。
5.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述加载伸缸（13）用于可调速加载和记录刺破过程中荷载及位移等关键数据。
6.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述移动式夹具（3）上设置固定旋钮（8），通过固定旋钮（8）转动顶进压片（10）对于膜材均匀施加夹持力。
7.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述转向（17）及横向（18）预紧螺栓均通过转动螺栓帽。
8.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述用于测试的膜材试样形状，根据测试方案选取十字形或矩形试样。
9.根据权利要求1所述的适用于柔性膜材刺破性能的测试装置，其特征在于：所述导向滑槽（20）包括滑槽及螺纹转动盘（22），螺纹转动盘（22）穿过固定套筒（21）通过螺纹连接口与滑槽相连接，螺纹转动盘（22）底面与固定套筒（21）内环顶面贴合，螺纹连接口的顶面与固定套筒（21）内环底面贴合，且具有转动自由度。
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