CN112525674A - 一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具及其装夹方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，包括限位壳、紧固块一、紧固块二、限位块，限位壳为包括一个大端和一个小端的筒状结构，紧固块一的一侧面设有齿形面一，紧固块二的一侧面设有齿形面二，齿形面一与齿形面二相互啮合使紧固块一与紧固块二构成一个整体，整体自限位壳的大端插入至一端从限位壳的小端凸出卡住，其外周面与限位壳的内周面贴合，限位块从限位壳的大端穿入至与整体的另一端抵合，限位块的外周面与限位壳的内周面连接。本发明能确保实验结果精度，提高实验准确度及结果的准确性，使本夹具可以重复使用，降低了实验成本。本夹具结构简便，便于制造，可通过铸造法来实现批量生产。

Description

一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具及其装夹方法

技术领域

本发明涉及一种工装夹具，特别是涉及一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具及其装夹方法。

背景技术

广泛应用于各工业领域的纤维制品，在工作过程中普遍承受动态拉伸载荷作用，但纤维复合材料在高应变率变形条件下的动态力学性能与准静态条件下存在明显不同，因此准确获得纤维束及单丝纤维的动态力学性能是保证其应用安全的关键。

目前，纤维束及单丝纤维的动态拉伸力学性能通常利用霍普金森拉杆实验获得，因为纤维束或者单丝纤维为柔性物质，所以现有的纤维束及单丝纤维的霍普金森拉杆实验需配合转换夹具完成。但是，在该过程中首先需要使用粘合剂将纤维束及单丝纤维试件与夹具固化相连，再将霍普金森拉杆的入射杆及投射杆通过螺纹或卡槽连接进行实验的传统纤维束动态拉伸实验，在实验过程中会出现以下问题，影响实验结果的准确性及可靠性。

因为霍普金森拉杆技术主要通过应用一维应力波理论来获得冲击载荷下的力学性能，所以测试段与夹具和拉杆的同轴性尤为重要，而现有的纤维束或者单丝纤维的夹具都是使用粘合剂配合大径金属夹具，粘合剂凝固时间为24小时，在此期间粘合剂具有流动性，无法精确保证纤维束及单丝纤维的测试段长度，以及夹具及拉杆的同轴度，这不仅会导致实验结果的精确度无法保证，也不具有即安即用的时效性。此外，由于粘合剂固定夹具和纤维束，使得夹具无法重复使用，不仅如此，因为霍普金森拉杆技术主要是应用一维应力波理论来达到测试冲击载荷下的动态应力的目的，粘合剂因其材质问题，会将部分应力波吸收，而纤维束或者单丝纤维导波性能不好，导致实验数据与实际力学性能差距较大。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，可以重复使用，解决测试段及夹具和霍普金森拉杆的同轴性问题，保证实验结果的准确性及可靠性。同时提供了本夹具的装夹方法。

技术方案：一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，包括限位壳、紧固块一、紧固块二、限位块，所述限位壳为包括一个大端和一个小端的筒状结构，所述紧固块一的一侧面设有齿形面一，所述紧固块二的一侧面设有齿形面二，所述齿形面一与所述齿形面二相互啮合使所述紧固块一与所述紧固块二构成一个整体，所述整体自所述限位壳的大端插入至一端从所述限位壳的小端凸出卡住，其外周面与所述限位壳的内周面贴合，所述限位块从所述限位壳的大端穿入至与所述整体的另一端抵合，所述限位块的外周面与所述限位壳的内周面连接。

进一步的，所述限位壳包括一体成型同轴连接的圆锥筒、圆柱筒，所述圆锥筒的尖端为所述限位壳的小端，所述圆柱筒的自由端为所述限位壳的大端。

进一步的，所述紧固块一与所述紧固块二构成的整体的外形结构与所述限位壳的内筒结构匹配。

进一步的，所述圆柱筒的内周设有内螺纹，所述限位块与所述圆柱筒内周螺纹连接，所述圆柱筒的外周设有外螺纹，霍普金森拉杆与所述圆柱筒外螺纹纹连接。

进一步的，所述紧固块一的所述齿形面一上设有轴向纤维槽一，所述轴向纤维槽一自所述紧固块一的一端在中轴线的位置向所述齿形面一方向延伸；所述紧固块二的所述齿形面二上设有轴向纤维槽二，所述轴向纤维槽二自所述紧固块二的一端在中轴线的位置向所述齿形面二方向延伸；所述轴向纤维槽一与所述轴向纤维槽二对接构成纤维孔。

进一步的，所述紧固块一包括一个大端和一个小端，所述轴向纤维槽一位于所述紧固块一小端一侧，所述紧固块一大端上开设有弧形纤维槽，所述弧形纤维槽靠近所述紧固块一大端的边沿处。

进一步的，所述紧固块二包括一个大端和一个小端，所述轴向纤维槽二位于所述紧固块二小端一侧，所述紧固块二大端上开设有纵向纤维槽。

最佳的，所述齿形面一、所述齿形面二均为宽度呈递减式或递增式的圆弧形连续齿面结构。

进一步的，所述限位块一侧面的中部开设有内六角孔。

一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具的装夹方法，包括以下步骤：

步骤一：将限位壳中的紧固块一、紧固块二、限位块取出；

步骤二：将纤维试件从限位壳上小端的圆形限位孔中穿入，并从大端穿出，将穿出部分的纤维试件用紧固块一和紧固块二，是其在齿形面一与齿形面二之间压紧，并留出部分纤维试件在紧固块一和紧固块二的端部上绑紧，是二者紧固；

步骤三：将紧固后的紧固块一及紧固块二嵌入式连接进入限位壳内至两者构成的整体的一端在限位壳上小端的圆形限位孔处凸出卡住，将限位块旋进限位壳内，实现对纤维试件、紧固块一及紧固块二的紧固；

步骤四：将本夹具通过限位壳上拧进霍普金森拉杆的螺纹端，进而完成安装；

步骤五：使用霍普金森拉杆对纤维试件进行动态拉伸实验。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：可以应用于使用霍普金森拉杆对纤维束和单丝纤维的高应变率下的力学性能测试，对纤维素及单丝纤维进行100/s～3000/s应变率的动态性能测试，对纤维束及单丝纤维进行二重紧固，保证测试段、夹具和霍普金森拉杆的同轴性，保证测试段的长度，确保实验结果精度。不再使用粘合剂，从而避免了粘合剂层吸收入射波，提高实验准确度及结果的准确性。因不再使用粘合剂，使本夹具可以重复使用，降低了实验成本。本夹具结构简便，便于制造，可通过铸造法来实现批量生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的大端视图；

图3为限位壳的轴侧全剖视图；

图4为紧固块一的立体结构示意图；

图5为紧固块一的轴侧全剖视图；

图6为紧固块一的大端视图；

图7为紧固块二的轴侧全剖视图；

图8为紧固块二的大端视图；

图9为紧固块一与紧固块二的安装示意图；

图10为本发明半剖立体结构示意图；

其中，限位壳1、紧固块一2、紧固块二3、限位块4、齿形面一2-3、齿形面二3-3、圆锥筒1-2、圆柱筒1-3、内螺纹1-3-1、外螺纹1-3-2、轴向纤维槽一2-1、轴向纤维槽二3-1、弧形纤维槽2-2、纵向纤维槽3-2、内六角孔4-1、圆形限位孔1-1。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，如图1～10所示，包括限位壳1、紧固块一2、紧固块二3、限位块4，限位壳1包括圆锥筒1-2、圆柱筒1-3，圆锥筒1-2一端与圆柱筒1-3一端一体成型同轴连接，圆锥筒1-2的尖端即为限位壳1的小端，其小端处有圆形限位孔1-1，圆柱筒1-3的自由端即为限位壳1的大端。

紧固块一2的一侧面设有齿形面一2-3，紧固块二3的一侧面设有齿形面二3-3，齿形面一2-3上每个凸起齿的最高点高度一致，及齿形面二3-3上每个凸起齿的最高点高度也一致，凸起齿之间圆弧过渡连接，均倾斜呈波浪形设置，齿形面一2-3、齿形面二3-3均为宽度呈递减式或递增式的圆弧形连续齿面结构，齿形面一2-3与齿形面二3-3的结构匹配，两者相互啮合使紧固块一2与紧固块二3构成一个整体，该整体自限位壳1的大端插入至一端从限位壳1的小端凸出卡住，其外周面与限位壳1的内周面贴合，紧固块一2与紧固块二3构成的整体的外形结构与限位壳1的内筒结构匹配。

紧固块一2的齿形面一2-3上设有轴向纤维槽一2-1，轴向纤维槽一2-1自紧固块一2的一端在中轴线的位置向齿形面一2-3方向延伸；紧固块一2包括一个大端和一个小端，轴向纤维槽2-1一位于紧固块一2小端一侧，紧固块一2大端上开设有弧形纤维槽2-2，弧形纤维槽2-2靠近紧固块一2大端的边沿处。紧固块二3的齿形面二3-3上设有轴向纤维槽二3-1，轴向纤维槽二3-1自紧固块二3的一端在中轴线的位置向齿形面二3-3方向延伸，紧固块二3包括一个大端和一个小端，轴向纤维槽二3-1位于紧固块二3小端一侧，紧固块二3大端上开设有纵向纤维槽3-2，纵向纤维槽3-2位于紧固块二3大端中部的径线上。

轴向纤维槽一2-1与轴向纤维槽二3-1对接构成纤维孔。纤维孔与限位壳1同轴。

限位块4一侧面的中部开设有内六角孔4-1，限位块4从限位壳11的大端穿入至与紧固块一2和紧固块二3构成的整体的另一端抵合，圆柱筒1-3的内周设有内螺纹1-3-1，限位块4与圆柱筒1-3内周螺纹1-3-1连接，圆柱筒1-3的外周设有外螺纹1-3-2，霍普金森拉杆与圆柱筒1-3外螺纹1-3-2纹连接。

上述的实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具的装夹方法，包括以下步骤：

步骤一：将限位壳1中的紧固块一2、紧固块二3、限位块4取出；

步骤二：将纤维试件从限位壳1上的圆形限位孔1-1穿入限位壳11中，通过紧固块一2上的轴向纤维槽一2-1或紧固块二3上的轴线纤维槽二3-1，然后对应通过紧固块一2上的齿形面一2-3或紧固块二3上的齿形面二3-3，之后再对应将紧固块二3或紧固块一2装配，使紧固块一2与紧固块二3构成一体，纤维试件的一部分在两者的齿形面之间夹紧，并于两者构成的整体的大端留出合适部分长度的非测试段纤维试件；

步骤三：将非测试段纤维试件通过紧固块二3上的纵向纤维槽3-2，缠绕在紧固块一2及紧固块二3的圆柱部分实现二次紧固，再把余下的非测试段纤维试件放置在紧固块一2上的弧形纤维槽2-2内；

步骤四：将二次紧固后的紧固块一2及紧固块二3嵌入式连接进入限位壳11内至两者构成的整体的一端在限位壳11上小端的圆形限位孔1-1处凸出卡住，使用内六角扳手通过限位块4上的内六角孔4-1将限位块4旋进限位壳11内，实现对纤维试件、紧固块一2及紧固块二3的紧固；

步骤五：将本夹具通过限位壳11上的外螺纹1-3-2拧进霍普金森拉杆的螺纹端，进而完成试件安装；

步骤六：使用霍普金森拉杆对纤维试件行动态拉伸后，从霍普金森拉杆上拧下此夹具，使用内六角螺丝扳手将限位块4从限位壳11中取出，放松纤维试件对紧固块一2、紧固块二3的紧固，从而将测试用纤维试件本夹具中取出，至此完成了一次使用本夹具对单丝纤维或纤维束进行动态性能测试。

轴向纤维槽一2-1与轴向纤维槽二3-1对接构成纤维孔用于穿入纤维试件，可以精准控制测试段的位置，从而保证了测试段、夹具和霍普金森拉杆的同轴性。

目前在纤维束或者单丝纤维使用霍普金森拉杆装置做动态性能实验时，并没有专用于纤维束或者单丝纤维的夹具，仅仅使用粘合剂配合金属夹具并不能达到较好的实验精准度。本发明不再使用粘合剂，而是特别开发了一种应用于纤维束或者单丝纤维的夹具，因此本发明可以重复使用，而不是一次性消耗品。

本夹具内部设置的相互齿面啮合的紧固块一2和紧固块二3，以及弧形纤维槽2-2和纵向纤维槽3-2的设置，通过纤维试件对紧固块一2和紧固块二3的二重紧固可以同步对纤维试件进行很好的紧固作用，从而可以保证测试端的长度。

使用粘合剂的传统夹具，因为粘合剂的材质问题，会吸收部分应力波，而本发明不再使用粘合剂，可以减少波的衰减。粘合剂在传统夹具中并没有办法重复利用，增加了实验成本，本发明可以进行多次实验，且本发明可以即时使用，省却传统夹具需要等待粘合剂凝固的时间，相较于传统夹具本发明更具有时效性。

本夹具的设计可以保证单丝纤维或纤维束在100/s-3000/s的应变率下不发生滑移，而倒圆角也可以保证单丝纤维或纤维束不发生断裂。将多余的纤维试件放置于紧固块一2尾部的弧形纤维槽2-2中，这样的设计保证绕过柱形端剩余长度的纤维试件不脱落。将组装好的紧固块一2，紧固块二3置于限位壳11内，将限位块4通过其尾部的内六角孔4-1拧紧旋入限位壳11里进行一重紧固，这样的设计固定了纤维试件在夹具中的位置，保证了测试段的长度。

Claims (10)

1.一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：包括限位壳、紧固块一、紧固块二、限位块，所述限位壳为包括一个大端和一个小端的筒状结构，所述紧固块一的一侧面设有齿形面一，所述紧固块二的一侧面设有齿形面二，所述齿形面一与所述齿形面二相互啮合使所述紧固块一与所述紧固块二构成一个整体，所述整体自所述限位壳的大端插入至一端从所述限位壳的小端凸出卡住，其外周面与所述限位壳的内周面贴合，所述限位块从所述限位壳的大端穿入至与所述整体的另一端抵合，所述限位块的外周面与所述限位壳的内周面连接。

2.根据权利要求1所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述限位壳包括一体成型同轴连接的圆锥筒、圆柱筒，所述圆锥筒的尖端为所述限位壳的小端，所述圆柱筒的自由端为所述限位壳的大端。

3.根据权利要求2所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述紧固块一与所述紧固块二构成的整体的外形结构与所述限位壳的内筒结构匹配。

4.根据权利要求2所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述圆柱筒的内周设有内螺纹，所述限位块与所述圆柱筒内周螺纹连接，所述圆柱筒的外周设有外螺纹，霍普金森拉杆与所述圆柱筒外螺纹纹连接。

5.根据权利要求1所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述紧固块一的所述齿形面一上设有轴向纤维槽一，所述轴向纤维槽一自所述紧固块一的一端在中轴线的位置向所述齿形面一方向延伸；所述紧固块二的所述齿形面二上设有轴向纤维槽二，所述轴向纤维槽二自所述紧固块二的一端在中轴线的位置向所述齿形面二方向延伸；所述轴向纤维槽一与所述轴向纤维槽二对接构成纤维孔。

6.根据权利要求5所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述紧固块一包括一个大端和一个小端，所述轴向纤维槽一位于所述紧固块一小端一侧，所述紧固块一大端上开设有弧形纤维槽，所述弧形纤维槽靠近所述紧固块一大端的边沿处。

7.根据权利要求5所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述紧固块二包括一个大端和一个小端，所述轴向纤维槽二位于所述紧固块二小端一侧，所述紧固块二大端上开设有纵向纤维槽。

8.根据权利要求1所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述齿形面一、所述齿形面二均为宽度呈递减式或递增式的圆弧形连续齿面结构。

9.根据权利要求1所述的一种实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具，其特征在于：所述限位块一侧面的中部开设有内六角孔。

10.一种权利要求1～9任一所述的实时紧固纤维束动态拉伸实验夹具的装夹方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将限位壳中的紧固块一、紧固块二、限位块取出；

步骤二：将纤维试件从限位壳上小端的圆形限位孔中穿入，并从大端穿出，将穿出部分的纤维试件用紧固块一和紧固块二，是其在齿形面一与齿形面二之间压紧，并留出部分纤维试件在紧固块一和紧固块二的端部上绑紧，是二者紧固；

步骤三：将紧固后的紧固块一及紧固块二嵌入式连接进入限位壳内至两者构成的整体的一端在限位壳上小端的圆形限位孔处凸出卡住，将限位块旋进限位壳内，实现对纤维试件、紧固块一及紧固块二的紧固；

步骤四：将本夹具通过限位壳上拧进霍普金森拉杆的螺纹端，进而完成安装；

步骤五：使用霍普金森拉杆对纤维试件进行动态拉伸实验。

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