CN112903421A - 一种复合材料力学性能测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料力学性能测试装置及方法，属于材料的力学性能测试技术领域，包括：脉冲电源、电磁力加载线圈、驱动机构和支撑机构；电磁力加载线圈套设于支撑机构的外侧，驱动机构设置于电磁力加载线圈的外侧，且贴合于待测复合材料的表面；脉冲电源用于将脉冲电流输送至电磁力加载线圈；电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；驱动机构用于在脉冲磁场下产生感应涡流从而产生径向的电磁力和/或轴向的电磁力，并将电磁力施加于待测复合材料上以使待测复合材料向外膨胀和/或轴向压缩发生破坏，以测得待测复合材料的结构强度。本发明能够实现对缠绕结构的复合材料的多轴力加载测试，可以快速有效地评估其力学加固性能。

Description

一种复合材料力学性能测试装置及方法
技术领域
本发明属于材料的力学性能测试技术领域，更具体地，涉及一种复合材料力学性能测试装置及方法。
背景技术
随着脉冲强磁场技术的发展，脉冲磁体的峰值磁场越来越高，为了磁体结构的力学稳定，往往采用缠绕结构增强型纤维复合材料对磁体进行加固。然后对于峰值磁场为80T以上的脉冲磁体，其放电过程中的应力达到3-4GPa，已经达到甚至超越了材料的力学极限，为了在现有的加固材料条件下达到更高的磁场，就需要对用于脉冲磁体加固的纤维复合材料进行力学性能测试和评估。
合理的力学测试方法是研究纤维复合材料力学性能的重要途径，样品破坏后的断裂模式和微观形貌也是推断纤维复合材料力学破坏机理的重要依据。
现阶段工业化程度最高的纤维复合材料为玻璃纤维和碳纤维，其测试表征方法已形成相对固定的标准，样件形式主要为经过铺层、剪裁等工艺过程制备出的复合材料层板，对其进行径向拉压、横向拉压、弯曲以及面内剪切等测试，该测试体系可有效评估工业中常用的壳体件、杆件等的力学性能，对于复合材料加固的压力容器等，则主要采用水压爆破法进行性能评估。
然而，单方向的力学性能测试并不能有效体现纤维复合材料脉冲磁体内部复杂受力状态下的力学性能，且环向缠绕结构相比单向铺层结构增加了绕线张力等控制变量，样件结构上的差异也会对测试结果造成较大误差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复合材料力学测试装置及方法，由此解决现有的测试方法不能有效地体现复合材料在脉冲磁体内部受力情况下的力学性能的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种复合材料力学性能测试装置，包括：脉冲电源、电磁力加载线圈、驱动机构和支撑机构；
所述电磁力加载线圈套设于所述支撑机构的外侧，所述驱动机构设置于所述电磁力加载线圈的外侧，且所述驱动机构还贴合于待测复合材料的表面；
所述脉冲电源用于将脉冲电流输送至所述电磁力加载线圈；所述电磁力加载线圈用于接收所述脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动机构用于在所述脉冲磁场下产生感应涡流从而产生径向的电磁力和/或轴向的电磁力，并将所述电磁力施加于所述待测复合材料上以使所述待测复合材料向外膨胀和/或轴向压缩发生破坏，以测得所述待测复合材料的结构强度；所述支撑机构用于维持装置的结构稳定。
优选地，所述电磁力加载线圈包括径向电磁力加载线圈和轴向电磁力加载线圈，所述驱动机构包括驱动环和驱动板；所述径向电磁力加载线圈套设于所述支撑机构上，所述轴向电磁力加载线圈套设于所述支撑机构上，所述驱动板设置于所述轴向电磁力加载线圈的下部，所述驱动环设置于所述径向电磁力加载线圈的外部，所述径向电磁力加载线圈串联于所述轴向电磁力加载线圈；
所述径向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动环用于在所述脉冲磁场作用下产生感应涡流从而产生径向的电磁力，并将所述径向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料向外膨胀；所述轴向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动板用于在所述脉冲磁场作用下产生感应电流从而产生轴向的电磁力，并将所述轴向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料轴向压缩。
优选地，所述电磁力加载线圈包括径向电磁力加载线圈，所述驱动机构包括驱动环；所述驱动环套设于所述径向电磁力加载线圈的外部；
所述径向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动环用于在所述脉冲磁场作用下产生感应涡流从而产生径向的电磁力，并将所述径向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料向外膨胀。
优选地，所述电磁力加载线圈包括轴向电磁力加载线圈，所述驱动机构包括驱动板；所述轴向电磁力加载线圈套设于所述支撑机构上，所述驱动板套设于所述支撑机构上并位于所述轴向电磁力加载线圈的下部；
所述轴向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动板用于在所述脉冲磁场作用下产生感应电流从而产生轴向的电磁力，并将所述轴向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料轴向压缩。
优选地，所述电磁力加载线圈可拆卸地设置于所述支撑机构上。
优选地，所述驱动机构可拆卸地设置于所述支撑机构上。
按照本发明的另一方面，提供了一种复合材料力学性能测试方法，所述方法包括以下步骤：
根据所需的电磁力加载方式将电磁力加载线圈和驱动机构装配在支撑机构上；
将复合材料缠绕于所述驱动机构或所述支撑机构上作为测试样品；
将脉冲电源连接于所述电磁力加载线圈进行放电，同时测量所述电磁力加载线圈的电流数据和磁场数据；
根据所述电流数据和磁场数据以及所述复合材料的破坏情况，评估所述复合材料的力学性能。
优选地，径向电磁力加载时，将所述复合材料环向缠绕于所述驱动机构上；轴向电磁力加载时，将所述复合材料环向缠绕于所述支撑机构上；径向电磁力与轴向电磁力同时加载时，将所述复合材料环向缠绕于所述驱动环上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明通过对复合材料进行多轴力加载，可以快速有效地测试复合材料的力学性能；
2、本发明通过可以根据不同需求将电磁力加载线圈和驱动机构进行不同的装配方式，满足不同轴向电磁力的加载需求，同时易于更换和拆卸。
3、本发明所使用的电磁力加载线圈为外包绝缘层铜导线绕制的多层空心螺旋线圈，脉宽更短，因此可以在较低磁场下产生与常规脉冲磁体中相同大小的感应电磁力密度，并且电磁力加载线圈可重复使用，可靠性高。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的结构示意图；
图2是本发明的一个实施例的结构示意图；
图3是本发明的一个实施例的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：径向电磁力加载线圈1；驱动环2；复合材料3；轴向电磁力加载线圈4；驱动板5；支撑机构6。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一个实施例提出了一种复合材料力学性能测试装置，包括径向电磁力加载线圈1、驱动环2、轴向电磁力加载线圈4、驱动板和支撑机构6；将所述径向电磁力加载线圈1和所述轴向电磁力加载线圈4进行组合装配于所述支撑机构6上，为了使径向电磁力和轴向电磁力同步加载，将所述径向电磁力加载线圈1和所述轴向电磁力加载线圈4串联，可实现径向电磁力和轴向电磁力的同时加载，以此测试多轴力共同作用下的复合材料的力学性能。需要说明的是，所述驱动机构用于在所述脉冲磁场下产生感应涡流从而产生径向的电磁力和/或轴向的电磁力是指同时产生径向的电磁力和轴向的电磁力，或者只产生径向的电磁力，或者只产生轴向的电磁力。需要说明的是，所述待测复合材料向外膨胀和/或轴向压缩发生破坏是指所述待测复合材料同时向外膨胀和轴向压缩，或者只向外膨胀，或者只轴向压缩。
更进一步的说明，如图2所示，本发明的另一个实施例中，所述径向电磁力加载线圈1为外包绝缘层铜导线绕制的多层空心螺旋线圈，所述驱动环2为厚度2mm的铝筒，所述待测复合材料3为Zylon纤维环向缠绕在所述驱动环2上并浸渍环氧树脂固化而成的复合材料层，将所述径向电磁力加载线圈1、所述驱动环2和复合材料3进行径向同轴装配构成径向电磁力加载装置，当所述脉冲电源给所述径向电磁力加载线圈1通以脉冲电流时，变化的脉冲磁场将在所述驱动环2内产生反向的感应涡流，从而产生驱动所述驱动环2向外膨胀的径向电磁力FR，所述复合材料3缠绕在所述驱动环2外侧，因此也会在该电磁力作用下膨胀，通过调节所述脉冲电源参数从而调节电磁力大小，当电磁力足够大时，所述复合材料3就会发生破坏。通过测量所述径向电磁力加载线圈1通入的电流数据和产生的磁场数据，就能精确得出产生的电磁力大小，以此就能分析所述复合材料3的径向加固强度和相关的力学性能。
更进一步的说明，在径向电磁力加载的方式中，可以将所述驱动环2切割成多个驱动环，由于涡流和磁场的分布情况，在各个驱动环上产生的径向电磁力将呈现梯度排列，导致各个驱动环的膨胀程度不同，以此可以模拟绕组匝间间隙所产生的径向剪切力以及电磁力的轴向分布对复合材料的破坏作用，以此来测试复合材料在这种受力情况下的力学性能。
更进一步的说明，如图3所示，本发明的另一个实施例中，所述轴向电磁力加载线圈4为外包绝缘层铜导线绕制的多层空心螺旋线圈，所述驱动板5为厚度2mm的圆环铝板，所述支撑机构6由环氧板加工而成，所述复合材料3为Zylon纤维环向缠绕在所述支撑机构6上并浸渍环氧树脂固化而成的复合材料层，将所述轴向电磁力加载线圈4、所述驱动板5和复合材料层进行轴向同轴装配构成轴向电磁力加载装置，当给所述轴向电磁力加载线圈4通以脉冲电流时，变化的磁场将在所述驱动板5内产生反向的感应涡流，从而产生驱动所述驱动板5轴向运动的电磁力FZ，该电磁力轴向挤压所述复合材料3，使所述复合材料3在轴向压缩力下发生破坏，通过测量电流数据和磁场数据，可以精确反应电磁力的大小，以此来分析所述复合材料3在轴向力作用下的结构强度和破坏过程。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合材料力学性能测试装置，其特征在于，包括：脉冲电源、电磁力加载线圈、驱动机构和支撑机构；
所述电磁力加载线圈套设于所述支撑机构的外侧，所述驱动机构设置于所述电磁力加载线圈的外侧，且所述驱动机构还贴合于待测复合材料的表面；
所述脉冲电源用于将脉冲电流输送至所述电磁力加载线圈；所述电磁力加载线圈用于接收所述脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动机构用于在所述脉冲磁场下产生感应涡流从而产生径向的电磁力和/或轴向的电磁力，并将所述电磁力施加于所述待测复合材料上以使所述待测复合材料向外膨胀和/或轴向压缩发生破坏，以测得所述待测复合材料的结构强度；所述支撑机构用于维持装置的结构稳定。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能测试装置，其特征在于：所述电磁力加载线圈包括径向电磁力加载线圈和轴向电磁力加载线圈，所述驱动机构包括驱动环和驱动板；所述径向电磁力加载线圈套设于所述支撑机构上，所述轴向电磁力加载线圈套设于所述支撑机构上，所述驱动板设置于所述轴向电磁力加载线圈的下部，所述驱动环设置于所述径向电磁力加载线圈的外部，所述径向电磁力加载线圈串联于所述轴向电磁力加载线圈；
所述径向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动环用于在所述脉冲磁场作用下产生感应涡流从而产生径向的电磁力，并将所述径向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料向外膨胀；所述轴向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动板用于在所述脉冲磁场作用下产生感应电流从而产生轴向的电磁力，并将所述轴向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料轴向压缩。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能测试装置，其特征在于：所述电磁力加载线圈包括径向电磁力加载线圈，所述驱动机构包括驱动环；所述驱动环套设于所述径向电磁力加载线圈的外部；
所述径向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动环用于在所述脉冲磁场作用下产生感应涡流从而产生径向的电磁力，并将所述径向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料向外膨胀。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能测试装置，其特征在于：所述电磁力加载线圈包括轴向电磁力加载线圈，所述驱动机构包括驱动板；所述轴向电磁力加载线圈套设于所述支撑机构上，所述驱动板套设于所述支撑机构上并位于所述轴向电磁力加载线圈的下部；
所述轴向电磁力加载线圈用于接收脉冲电流后产生脉冲磁场；所述驱动板用于在所述脉冲磁场作用下产生感应电流从而产生轴向的电磁力，并将所述轴向电磁力施加于所述待测复合材料以使所述待测复合材料轴向压缩。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能测试装置，其特征在于：所述电磁力加载线圈可拆卸地设置于所述支撑机构上。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料力学性能测试装置，其特征在于：所述驱动机构可拆卸地设置于所述支撑机构上。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的复合材料力学性能测试装置的复合材料力学性能测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据所需的电磁力加载方式将电磁力加载线圈和驱动机构装配在支撑机构上；
将复合材料缠绕于所述驱动机构或所述支撑机构上作为测试样品；
将脉冲电源连接于所述电磁力加载线圈进行放电，同时测量所述电磁力加载线圈的电流数据和磁场数据；
根据所述电流数据和磁场数据以及所述复合材料的破坏情况，评估所述复合材料的力学性能。
8.根据权利要求7所述的复合材料力学性能测试方法，其特征在于：径向电磁力加载时，将所述复合材料环向缠绕于所述驱动机构上；轴向电磁力加载时，将所述复合材料环向缠绕于所述支撑机构上；径向电磁力与轴向电磁力同时加载时，将所述复合材料环向缠绕于所述驱动环上。
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