CN112557176A - 适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置，所述防屈曲装置包括防屈曲钢板、连接螺栓、背侧支撑弹簧、耐磨光滑薄膜、观测窗口、连接螺栓孔，其中：所述防屈曲钢板包括上防屈曲钢板和下防屈曲钢板；所述上防屈曲钢板和下防屈曲钢板的中心开有观测窗口，上防屈曲钢板和下防屈曲钢板的左右两侧开有贯穿防屈曲钢板的连接螺栓孔；所述上防屈曲钢板和下防屈曲钢板之间夹持试样件；所述连接螺栓沿厚度方向穿过连接螺栓孔、背侧支撑弹簧以及垫片，将上防屈曲钢板、试样件和下防屈曲钢板连接起来。该装置具有结构简单、安装方便、可调节夹持力、可重复利用、使用寿命长且无需与特定试验机配套的特点。
Description
技术领域
本发明属于试验设备技术领域，涉及一种疲劳加载和损伤检测装置，尤其涉及一种适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置。
背景技术
板状复合材料在进行拉压疲劳试验过程中，由于被测试验件容易发生屈曲变形，产生额外的附加弯矩，使得实验数据偏离真实结果，给试验带来很大误差。通常做法是在板状试验件侧边加防屈曲夹具，限制试验件的侧向位移，进而防止在压缩破坏前发生屈曲破坏，但是加装防屈曲夹具又会遮挡材料表面，为损伤及其他状态量的观测带来困难。
CN2909230Y公开了一种金属薄板轴向拉压疲劳试验的防屈曲夹具，该夹具可以实现宽频率范围内的金属材料拉压疲劳试验。
现有的拉压疲劳防屈曲试验装置存在以下问题：
（1）防屈曲装置对试验件表面有遮挡，妨碍对试验件在拉压疲劳试验过程中的观测；
（2）夹持力不可调节，防屈曲装置各部件之间刚性连接，不适用于准脆性破坏的复合材料，在材料破坏瞬间容易对防屈曲装置带来损伤。
发明内容
为了克服传统防屈曲装置存在的主要不足，本发明提供了一种适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置。该装置不仅适用于板状复合材料拉压疲劳试验，而且留有观测窗口，可供外部观测设备对试验件的实时观测。此外，该装置具有结构简单、安装方便、可调节夹持力、可重复利用、使用寿命长且无需与特定试验机配套的特点，易于实现板状复合材料试验件的批量拉压疲劳试验。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置，包括防屈曲钢板、连接螺栓、背侧支撑弹簧、耐磨光滑薄膜、观测窗口、连接螺栓孔，其中：
所述防屈曲钢板包括上防屈曲钢板和下防屈曲钢板；
所述上防屈曲钢板和下防屈曲钢板的中心开有观测窗口，上防屈曲钢板和下防屈曲钢板的左右两侧开有贯穿防屈曲钢板的连接螺栓孔；
所述观测窗口为三个，分别位于防屈曲钢板的上、中、下三个部位；
所述连接螺栓孔为六个，左右两侧各三个；
所述上防屈曲钢板和下防屈曲钢板之间夹持试样件；
所述耐磨光滑薄膜夹设于防屈曲钢板与试样件之间；
所述耐磨光滑薄膜的开口位置及尺寸与防屈曲钢板上的观测窗口一致；
所述连接螺栓沿厚度方向穿过连接螺栓孔、背侧支撑弹簧以及垫片，将上防屈曲钢板、试样件和下防屈曲钢板连接起来。
一种利用上述防屈曲装置进行拉压疲劳损伤演化试验的方法，包括以下步骤：
（1）选取一板状拉压疲劳试验件作为防屈曲装置调试试验件，在该试验件与观测窗口相对应的位置喷涂DIC散斑，以供应变测量；
（2）根据防屈曲钢板的形状及观测窗口的大小及位置，裁剪耐磨光滑薄膜；
（3）在调试试验件与防屈曲钢板接触处粘贴耐磨光滑薄膜；
（4）用两块防屈曲钢板夹持调试试验件，并将连接螺栓穿过连接螺栓孔；
（5）将背侧支撑弹簧以及垫片分别穿在连接螺栓上，然后在连接螺栓上拧紧螺母，初步给予调试试验件较小的夹持力；
（6）将调试试验件连同防屈曲装置一起安装在试验机夹头上；
（7）对数字图像相关应变测试系统（DIC）进行标定；
（8）通过位移控制对试验件施加准静态压缩载荷，加载同时测量观测窗口位置处调试试验件的纵向应变，当应变发生明显差别时停止加载，并卸载，说明此时出现屈曲；
（9）通过调节连接螺栓的螺母，增加背侧支撑弹簧的压缩变形，以加大夹持力；
（10）重复步骤（8）、步骤（9），逐步调节背侧支撑弹簧的变形量，直至实现在预定压缩疲劳载荷前不会出现材料屈曲，即在预定压缩疲劳载荷之前，观测窗口位置处材料的纵向应变基本保持一致，此时的背侧弹簧的变形量为正式拉压疲劳试验过程中真正需要施加的变形量，并通过螺母在连接螺栓上的位置记录此刻的状态；
（11）取下调试试验件，拆除防屈曲装置，并按照步骤（2）至步骤（5）安装正式拉压疲劳试验件；
（12）根据步骤（7）至（10）中所测得的正式试验所需弹簧变形量调节螺母在连接螺栓上的位置；
（13）安装并连接疲劳引伸计；
（14）将正式拉压疲劳试验件及防屈曲装置一同安装在疲劳试验机夹头内部，夹紧试验机夹块；
（15）为获取疲劳过程中损伤位置，在正式拉压疲劳试验件正面前方架设红外热像仪，测量疲劳试验过程中正式拉压疲劳试验件表面的温度场；
（16）设置预定的拉压疲劳载荷及其他试验参数，启动试验程序及观测程序，开始试验，并同时开启应变测量以及红外热成像仪的温度测量；
（17）为获取被测板状复合材料在拉压疲劳载荷下的损伤演化规律，分别将正式拉压疲劳试验件疲劳加载至不同阶段后停止，取下正式拉压疲劳试验件；
（18）取正式拉压疲劳试验件温度集中区域作为损伤观测区域，通过同步辐射CT（SRCT）检测，获取不同循环周次后材料内部的损伤形式；
（19）通过分析损伤检测结果，获得板状复合材料在拉压疲劳载荷下的疲劳损伤演化规律。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）防屈曲板上开有观测窗口，方便外接设备对疲劳过程中的变化情况进行实时观测；
（2）可通过外部设备对试验件表面情况的观测，确定损伤发生位置，方便损伤检测的定位；
（3）防屈曲装置的侧向支撑力通过弹簧调节，实现疲劳过程中侧向支撑力的稳定，并大大增加了装置的适用范围；
（4）装置内测贴有光滑耐磨的特氟龙薄膜，降低了材料与试验件之间的摩擦，同时降低磨损，以实现高周疲劳试验；
（5）此装置可以适用于板状复合材料试验件的拉压疲劳试验，具有结构简单、操作方便、观测空间大、便于观测、可调节、可重复使用使用寿命长、试验效率高的特点。
附图说明
图1为拉压疲劳试验件尺寸图；
图2为本发明防屈曲装置的三维拆分示意图；
图3为本发明防屈曲装置的整体斜二轴测图；
图4为本发明防屈曲装置的试验机装夹图；
图5为SRCT损伤检测流程图；
图6为试验件刚度退化与温度上升曲线；
图7为拉压疲劳损伤第一阶段典型CT截面；
图8为拉压疲劳损伤第一阶段与第二阶段拐点处典型CT截面；
图9为拉压疲劳损伤第二阶段典型CT截面；
其中：1-防屈曲钢板；2-连接螺栓；3-背侧支撑弹簧；4-耐磨光滑薄膜；5-垫片；6-观测窗口；7-连接螺栓孔；8-板状复合材料拉压疲劳试验件；9-试验机夹头；10-装夹后的防屈曲装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了基于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置，如图1和图2所示，所述防屈曲装置包括防屈曲钢板1、连接螺栓2、背侧支撑弹簧3、耐磨光滑薄膜4、垫片5、观测窗口6、连接螺栓孔7。本发明的实施对象位于两块防屈曲钢板1之间。
如图4所示，防屈曲钢板1在上、中、下分别开观测窗口6，可以通过该窗口安装疲劳引伸计等测量装置，便于使用外接设备观测板状试验件在拉压疲劳试验过程中的变化情况。防屈曲钢板1在左右两侧各开三个贯穿的连接螺栓孔7，可供连接螺栓2穿过并提供支撑。
如图2所示，连接螺栓2穿过连接螺栓孔7、背侧支撑弹簧3以及垫片5，从而将两块防屈曲钢板1连接起来，进而为被测拉压疲劳试验件提供侧向支撑。连接螺栓2配合背侧支撑弹簧7，可以实现对侧向夹持力的调整，从而保证该装置可以适用于不同厚度及屈曲极限的试验件。
如图2所示，背侧支撑弹簧3可以通过连接螺栓2调节压缩距离，进而实现对侧向支撑力的调节，从而使该装置适用于不同屈曲极限的试验件。背侧支撑弹簧3可以实现对防屈曲钢板1的弹性支撑，从而可以在为被测材料提供侧向支撑的同时，不至于刚性过大，并实现在试验过程中侧向支撑力保持恒定。
如图1所示，耐磨光滑薄膜4由特氟龙胶带制成，该种材料具有摩擦系数低以及耐磨等特点，可以减小拉压疲劳试验过程中试验件与防屈曲装置之间的摩擦力，并保证在高周疲劳试验过程中该材料不会被磨损破坏。
如图2、图3和图4所示，观测窗口6被开在防屈曲钢板1上、中、下三个部位，在不破坏防屈曲钢板1整体刚性的同时，可以为外接观测装置留有足够的空间，进而实现在拉压疲劳试验过程中对被测板状试验件的变化情况进行实时观测。
实施例：
应用本发明的防屈曲装置对一种碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料拉压疲劳损伤机理进行试验研究。该试验从宏观和细观两个尺度分析三维机织复合材料疲劳损伤特性。通过在拉压疲劳加载过程中原位实时观测试验件的动态刚度以及试验件表面温度，得到此时材料所处的疲劳退化阶段。将不同的试验件疲劳加载至不同的退化阶段后停止试验，将带有损伤的试验件切割、打磨、抛光，然后送至同步辐射CT进行损伤检测。通过分析CT重构后的三维图像，获得碳纤维/环氧树脂三维机织复合材料拉压疲劳损伤演化历程和损伤机理。
1、材料及试验件设计
本试验所研究的三维机织复合材料的单胞尺寸在经向和纬向上分别为10mm和14mm。在设计试验件尺寸时要保证试验件中间平直段内包含两个完整的单胞。此外，在试验过程中希望材料损伤起始于试验件中段，以便于确定后续损伤检测的位置。基于以上考虑，试验件的尺寸如图1所示。
2、试验方法
（1）防屈曲装置调整
在正式试验开始之前，需要通过预实验对防屈曲装置的状态进行调整，主要调整装置背侧支撑弹簧的变形量，保证在疲劳试验过程中试验件不会因为夹持力过小而发生压缩屈曲，也不会因为夹持力过大而影响载荷的传递。防屈曲装置的调整按照如下步骤进行：
a、选取一板状拉压疲劳试验件，作为防屈曲装置调试试验件，在该试验件与防屈曲装置的观测窗口6相对应的位置喷涂DIC散斑，以供应变测量；
b、根据防屈曲钢板1的形状及观测窗口6的大小及位置，裁剪耐磨光滑薄膜4，并将其平整粘贴在防屈曲钢板1贴近试验件侧；
c、在试验件8与防屈曲钢板1接触处粘贴合适大小的耐磨光滑薄膜；
d、用两块防屈曲钢板1夹持板状拉压疲劳试验件8，并将连接螺栓2穿过连接螺栓孔7；
e、将背侧支撑弹簧3以及垫片5分别穿在6根连接螺栓2上，然后再连接螺栓2上拧紧螺母，初步给予拉压疲劳试验件较小的夹持力；
f、被测板状拉压疲劳试验件连通防屈曲装置一同安装在试验机夹头9上；
g、对数字图像相关应变测试系统（DIC）进行标定；
h、通过位移控制对试验件施加准静态压缩载荷，加载同时测量上中下三个观测窗口位置处试验件的纵向应变，当三个位置处应变发生明显差别时停止加载，并卸载，说明此时出现屈曲；
i、通过调节连接螺栓2的螺母，增加背侧支撑弹簧3的压缩变形，以加大夹持力；
j、重复步骤h、i，逐步调节背侧支撑弹簧3的变形量，直至实现在预定压缩疲劳载荷前不会出现材料屈曲，即在预定压缩疲劳载荷之前，三个观测窗口6位置处材料的纵向应变基本保持一致，此时的背侧弹簧3的变形量为正式拉压疲劳试验过程中真正需要施加的变形量，并通过螺母在连接螺栓2上的位置记录此刻的状态；
k、取下试验件，拆除防屈曲装置，并按照步骤b至e安装正式的拉压疲劳试验件8，试验件与防屈曲装置安装后如图3所示。
（2）疲劳试验
a、根据上述防屈曲装置调整中所测得的正式试验所需弹簧变形量调节螺母在连接螺栓2上的位置；
b、安装并连接疲劳引伸计；
c、将正式拉压疲劳试验件8及防屈曲装置一同安装在疲劳试验机夹头9内部，夹紧试验机夹块；
d、为获取疲劳过程中损伤位置，在试验件正面前方架设红外热像仪，测量疲劳试验过程中试验件表面的温度场，试验机装夹图如图4所示；
e、设置预定的拉压疲劳载荷及其他试验参数，启动试验程序及观测程序，开始试验，并同时开启应变测量以及红外热成像仪的温度测量；
f、为获取被测板状复合材料在拉压疲劳载荷下的损伤演化规律，分别将试验件疲劳加载至不同阶段后停止，取下试验件。
（3）损伤检测
取试验件温度集中区域作为损伤观测区域，通过同步辐射CT（SRCT）检测，获取不同循环周次后材料内部的损伤形式。图5显示了使用SRCT进行损坏检测的过程。为制作适用于SRCT检测的试验样品，在进行SRCT检测之前，使用切割设备从受损的试验件上将标距段部分切下，并打磨以消除切割带来的损伤。将处理好的试验件被安放在转台中心，在SRCT检测过程中，试验件会随着转台旋转180°。与此同时，采集系统会以规则的增量拍摄X射线照片。在检测之后，通过对上述X射线图像的处理，进而生成样本的切片图像。然后，应用三维重构分析软件获得被测试样的3D图像，进而可以通过分析研究三维机织复合材料拉压疲劳过程中的损伤。
3、试验结果
（1）刚度退化与温升
试验过程中通过疲劳引伸计测试试验件标距段内的应变变化，并结合试验机的载荷数据，可以获得疲劳过程中的刚度退化曲线。同时通过红外热成像仪可以获取试验件表面的温度变化情况。将上述的刚度退化曲线与试验件表面温度上升曲线绘制在同一坐标图中，如图6所示。图中包含了一个完整寿命周期的试验件结果，以及两个未完全破坏（分别加载至刚度退化不同阶段）的试验件结果。结果显示，该材料在拉压疲劳过程中刚度退化呈现两阶段特征，而温度上升呈现三阶段特征，在刚度退化拐点处，温度上升曲线也出现拐点，说明两者具有同步性。
（2）拉压疲劳损伤演化
图7为刚度退化第一阶段材料内部的损伤的典型CT截面图，从图中可以看出，在此阶段，主要的损伤形式是界面开裂，且裂纹尺寸相对较小。
图8为刚度退化第一阶段与第二阶段拐点处疲劳损伤的典型CT截面图，可以看出，此时界面裂纹已经分布很广泛，且裂纹尺寸很大。同时出现部分纤维断裂现象。
图9为第二阶段后期典型CT截面图，此时材料即将发生疲劳破坏。从图中可以看出，所有加载方向的经纱均已断裂，且整体裂纹方向与加载方向大致呈45度角，说该材料在拉压疲劳载荷下，最终的破坏模式是压缩破坏。
Claims (5)
1.一种适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置，其特征在于所述防屈曲装置包括防屈曲钢板、连接螺栓、背侧支撑弹簧、耐磨光滑薄膜、观测窗口、连接螺栓孔，其中：
所述防屈曲钢板包括上防屈曲钢板和下防屈曲钢板；
所述上防屈曲钢板和下防屈曲钢板的中心开有观测窗口，上防屈曲钢板和下防屈曲钢板的左右两侧开有贯穿防屈曲钢板的连接螺栓孔；
所述上防屈曲钢板和下防屈曲钢板之间夹持试样件；
所述耐磨光滑薄膜夹设于防屈曲钢板与试样件之间；
所述耐磨光滑薄膜的开口位置及尺寸与防屈曲钢板上的观测窗口一致；
所述连接螺栓沿厚度方向穿过连接螺栓孔、背侧支撑弹簧以及垫片，将上防屈曲钢板、试样件和下防屈曲钢板连接起来。
2.根据权利要求1所述的适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置，其特征在于所述观测窗口为三个，分别位于防屈曲钢板的上、中、下三个部位。
3.根据权利要求1所述的适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置，其特征在于所述连接螺栓孔为六个，左右两侧各三个。
4.根据权利要求1所述的适用于板状复合材料拉压疲劳损伤演化试验的防屈曲装置，其特征在于耐磨光滑薄膜由特氟龙胶带制成。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述防屈曲装置进行拉压疲劳损伤演化试验的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
（1）选取一板状拉压疲劳试验件作为防屈曲装置调试试验件，在该试验件与观测窗口相对应的位置喷涂DIC散斑，以供应变测量；
（2）根据防屈曲钢板的形状及观测窗口的大小及位置，裁剪耐磨光滑薄膜；
（3）在调试试验件与防屈曲钢板接触处粘贴耐磨光滑薄膜；
（4）用两块防屈曲钢板夹持调试试验件，并将连接螺栓穿过连接螺栓孔；
（5）将背侧支撑弹簧以及垫片分别穿在连接螺栓上，然后在连接螺栓上拧紧螺母，初步给予调试试验件较小的夹持力；
（6）将调试试验件连同防屈曲装置一起安装在试验机夹头上；
（7）对数字图像相关应变测试系统进行标定；
（8）通过位移控制对试验件施加准静态压缩载荷，加载同时测量观测窗口位置处调试试验件的纵向应变，当应变发生明显差别时停止加载，并卸载，说明此时出现屈曲；
（9）通过调节连接螺栓的螺母，增加背侧支撑弹簧的压缩变形，以加大夹持力；
（10）重复步骤（8）、步骤（9），逐步调节背侧支撑弹簧的变形量，直至实现在预定压缩疲劳载荷前不会出现材料屈曲，即在预定压缩疲劳载荷之前，观测窗口位置处材料的纵向应变基本保持一致，此时的背侧弹簧的变形量为正式拉压疲劳试验过程中真正需要施加的变形量，并通过螺母在连接螺栓上的位置记录此刻的状态；
（11）取下调试试验件，拆除防屈曲装置，并按照步骤（2）至步骤（5）安装正式拉压疲劳试验件；
（12）根据步骤（7）至（10）中所测得的正式试验所需弹簧变形量调节螺母在连接螺栓上的位置；
（13）安装并连接疲劳引伸计；
（14）将正式拉压疲劳试验件及防屈曲装置一同安装在疲劳试验机夹头内部，夹紧试验机夹块；
（15）为获取疲劳过程中损伤位置，在正式拉压疲劳试验件正面前方架设红外热像仪，测量疲劳试验过程中正式拉压疲劳试验件表面的温度场；
（16）设置预定的拉压疲劳载荷及其他试验参数，启动试验程序及观测程序，开始试验，并同时开启应变测量以及红外热成像仪的温度测量；
（17）为获取被测板状复合材料在拉压疲劳载荷下的损伤演化规律，分别将正式拉压疲劳试验件疲劳加载至不同阶段后停止，取下正式拉压疲劳试验件；
（18）取正式拉压疲劳试验件温度集中区域作为损伤观测区域，通过同步辐射CT检测，获取不同循环周次后材料内部的损伤形式；
（19）通过分析损伤检测结果，获得板状复合材料在拉压疲劳载荷下的疲劳损伤演化规律。
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