CN113218782B - 一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，属于纤维复合材料剪切强度测试装置技术领域。本发明解决了现有的现有纤维复合材料层间剪切强度测试装置设计存在的问题。承载底板放置在压力机的工作台上，引导套筒通过支撑臂安装在承载底板的上方，所述压力针固装在压力机的压头上且压力针竖直穿设在引导套筒内，压力针与通孔上下正对设置，纤维复合材料试样水平放置在压力针下方的承载底板上，且在进行剪切测试过程中，压力针的下部穿透纤维复合材料试样后插设在通孔内。具有操作便捷、数据可靠和适用范围广泛等特点，可以有效测得任意形状纤维复合材料(筋材、杆材与型材)层间剪切强度任意分布。

Description

一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置
技术领域
本发明涉及一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，属于纤维复合材料剪切强度测试装置技术领域。
背景技术
传统钢筋混凝土结构在服役过程中容易受到湿热、盐碱、酸性等环境影响，使得内部钢筋发生锈蚀，降低材料承载力，进而影响结构的整体性能，造成社会生命财产损失。实际上，全球每年都需要为钢筋及钢材锈蚀问题承受巨大开支。
纤维增强复合材料(FRP)具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、易运输、多样化制备等优点，成为了土木工程中应用于原有构筑物加固修复和新建构筑物替代钢筋的理想材料。目前，纤维增强复合材料已在构筑物加固、海工工程建设、大跨度桥梁建设等相关工程中发挥巨大作用。纤维复合材料通常由纤维和树脂两部分复合而成，纤维具有良好的抗拉性能，主要用于承受沿纤维方向的拉伸荷载，可由抗拉强度表征；树脂可将纤维束粘结在一起，主要用于承受剪切荷载，粘结性能可由层间剪切强度表征。相比之下，抗拉强度远大于剪切强度，剪切强度是纤维复合材料的薄弱点，常成为影响纤维复合材料整体性能的决定因素。在实际服役过程中，纤维复合材料可呈现筋材、杆材、型材等多种形状结构，同时纤维复合材料截面剪切强度可能受到外界环境影响而呈现不规则的分布状态。因此，有效的测试任意形状纤维复合材料层间剪切强度任意分布的装置，对于分析其长期服役性能影响具有重要意义。
目前申请有关纤维复合材料剪切强度设备的专利，主要针对特定形状或等强度截面的纤维复合材料试样，对所测试样截面的尺寸形状有较高要求，难以对形状各异的纤维复合材料型材进行剪切强度测试，且难以测得截面剪切强度的不规律分布。已申请可用于纤维复合材料层间剪切的设备，先采用承力底座固定特定尺寸的圆形FRP杆截面切片，再采用不同直径的圆柱受力压杆对切片进行层间剪切强度测定，得到若干直径下的剪切强度分布。这种方法存在的主要问题是：只能对圆形等特定形状的截面进行测试，并且在测定截面强度分布时需要频繁更换加载压杆截面尺寸和底座截面尺寸。另一方面，这种方法只能测层间剪切强度规律分布的试样(如呈同心圆分布)，无法对于分布形状不规律的试样截面强度分布进行测试。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，它包括承载底板、支撑臂、引导套筒及压力针，其中所述承载底板放置在压力机的工作台上，且承载底板上沿竖直方向开设有通孔，所述引导套筒通过支撑臂安装在承载底板的上方，所述压力针固装在压力机的压头上且所述压力针竖直穿设在引导套筒内，压力针与所述通孔上下正对设置，纤维复合材料试样水平放置在压力针下方的承载底板上，且在进行剪切测试过程中，压力针的下部穿透纤维复合材料试样后插设在通孔内。
进一步地，引导套筒的外部沿水平方向垂直固装有连接板，所述支撑臂与所述引导套筒之间通过所述连接板连接。
进一步地，所述承载底板上以及所述连接板上均设置有圆水准器。
进一步地，所述压力针包括位于上部的限位段及位于下部的工作段，其中所述限位段与压力机的压头底端固接，且限位段与引导套筒之间为间隙配合。
进一步地，所述限位段为圆柱段结构，且所述引导套筒为圆形套筒。
进一步地，限位段上沿其周向开设有至少一个环槽，所述环槽与所述工作段同轴设置。
进一步地，工作段的直径范围为0.5mm-10mm。
进一步地，所述支撑臂包括第一杆臂与第二杆臂，其中两个杆臂之间、所述第一杆臂与所述承载底板之间以及所述第二杆臂与连接板之间均通过螺杆连接且通过螺母固定。
进一步地，纤维复合材料试样的厚度小于压力针的工作段长度。
进一步地，压力针的工作段直径小于承载底板上的通孔内径设置。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
(1)本申请可测得不规则截面形状纤维复合材料截面的剪切强度分布，采用压力针对试样进行加载，因压力针尖端截面足够小，所测得剪切强度可视为加载点的剪切强度，因此可分别对试样截面不同位置进行加载，得到截面整体的强度近似分布，可应用于筋材、杆材与型材等纤维复合材料。
(2)可测得某点、某曲线或某面上的剪切强度平均值或分布值，通过沿需要测试的点线面进行均匀布点测试，即可得到对应剪切强度。
(3)测试所需试样用量极少，对于等强度截面可以采用同试样多处试验提高准确度，对于不等强度截面可采用多同类试样多处试验提高准确度。
(4)扩大了纤维复合材料切片的尺寸和形状的适用性，采用支撑臂结构，使承载底板可用范围更大，因而可以加载大小形状各异的纤维复合材料切片，对试样制备的要求较低。
本申请具有操作便捷、数据可靠和适用范围广泛等特点，弥补了现有纤维复合材料层间剪切强度检测设备的不足，可以有效测得任意形状纤维复合材料(筋材、杆材与型材)层间剪切强度任意分布。
附图说明
图1为本申请的主剖视示意图；
图2为引导套筒、连接板及其上的圆水准器的俯视示意图；
图3为承载底板及其上圆水准器的俯视示意图；
图4为压力针的俯视示意图；
图5为支撑臂的俯视示意图；
图6为截面形状不规则且截面等强度试样测点布置图；
图7为截面形状不规则且截面强度呈规律分布试样测点布置图；
图8为截面形状不规则且截面强度呈随机分布试样测点布置图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～8说明本实施方式，一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，它包括承载底板3、支撑臂5、引导套筒2及压力针1，其中所述承载底板3放置在压力机的工作台上，且承载底板3上沿竖直方向开设有通孔31，所述引导套筒2通过支撑臂5安装在承载底板3的上方，所述压力针1固装在压力机的压头上且所述压力针1竖直穿设在引导套筒2内，压力针1与所述通孔31上下正对设置，纤维复合材料试样6水平放置在压力针1下方的承载底板3上，且在进行剪切测试过程中，压力针1的下部穿透纤维复合材料试样6后插设在通孔31内。通过引导套筒2实现对压力针1的限位，防止压力针1倾斜，保证压力针1在加载下降过程中平行于纤维方向，通过支撑臂5调整引导套筒2在水平方向的位置以及引导套筒2的中心轴线相对于承载底座的垂直度，进而保证压力针1与通孔31上下正对。
为保证压力针1在长期加载过程中不发生变形、断裂等情况，故压力针1采用高强度、高刚度材料制备，保证了长期使用下的可靠性和经济性。
本申请可用于测定任意形状纤维复合材料的层间剪切强度，被测试样种类包括筋材、杆材与型材等。
本申请适用于测定纤维复合材料层间剪切强度沿其截面的任意分布，包括试样截面等强度的剪切强度测定、试样截面强度呈规律分布的某一剪切强度测定、试样截面强度呈随机分布的剪切强度分布测定。
工作原理：
将承载底板3放置在压力机的工作台上并调整位置，使其保证位置水平；
调节支撑臂5，使引导套筒2竖向位于承载底板3的上方且引导套筒2的中心轴线垂直于承载底板3，同时确保压力针1能够顺利通过承载底板3上的通孔31。
将纤维复合材料试样6平整的放在承载底板3上，保证压力针1和纤维复合材料试样6密切接触后，用压力机的压头缓慢下压压力针1进行剪切测试，直至达到峰值进一步获得被测试样的剪切强度。
引导套筒2的外部沿水平方向垂直固装有连接板7，所述支撑臂5与所述引导套筒2之间通过所述连接板7连接。
所述承载底板3上以及所述连接板7上均设置有圆水准器4。通过设置圆水准器4确保连接板7与承载底板3均保持水平状态，进而保证压力针1与通孔31之间的相对位置。
所述压力针1包括位于上部的限位段11及位于下部的工作段12，其中所述限位段11与压力机的压头底端固接，且限位段11与引导套筒2之间为间隙配合。
所述限位段11为圆柱段结构，且所述引导套筒2为圆形套筒。
限位段11上沿其周向开设有至少一个环槽，所述环槽与所述工作段12同轴设置。保证压力针1加载过程中减少其自重和惯性影响，使其质量尽可能小。优选为上下平行布置的两个环槽。
工作段12的直径范围为0.5mm-10mm。保证压力针1可有效剪切试样。
所述支撑臂5包括第一杆臂51与第二杆臂52，其中两个杆臂之间、所述第一杆臂51与所述承载底板3之间以及所述第二杆臂52与连接板7之间均通过螺杆连接且通过螺母固定。通过调节螺杆与螺母的相对位置，实现两个杆臂及引导套筒2的位置调节，当将引导套筒2调节至合适的位置后，拧紧螺杆与螺母，实现支撑臂5及引导套筒2位置的固定。为保证支撑臂5和引导套筒2位置的快速调整与有效固定，杆臂应采用高刚度材料，三处螺杆及螺终应采用高刚度、耐磨材料。
纤维复合材料试样6的厚度小于压力针1的工作段12长度。如此设计，以获得有效的复合材料层间剪切强度。纤维复合材料的厚度优选在5-10mm之间。
压力针1的工作段12直径小于承载底板3上的通孔31内径设置。如此设计，保证压力针1顺利插入承载底板3的通孔31内。
利用本申请的测试装置进行剪切强度检测的示例如下：
例1：截面形状不规则且截面等强度试样的剪切强度检测。
现需测定一不规则纤维复合材料杆截面剪切强度值，已知其截面剪切强度各处均一。首先将纤维复合材料杆沿垂直于纤维方向裁切成薄片，要求切割面平整，并将表面擦拭干净。如图6所示，在切割面上用笔每隔一定距离均匀标记出各加载点。
将本申请的装置置于压力机下压头面上，调整承载底板3的放置位置，使底板上圆水准器4的气泡居中。调整支撑臂5，使引导套筒2位于承载底板3上方高于试样厚度处，继续调整并使引导套筒2上的圆水准器4气泡居中，同时确保压力针1可以顺利通过承载底板3孔洞。将切好的切片平整的放在承载底板3上，并向下轻按压力针1，保证压力针1与试样上加载点密切接触。
上述剪切测试装置安装需在压力机上进行，安装完毕后进行剪切试验；采用压力机对压力针1施加荷载直至达到峰值，并依次完成所有标记点的剪切强度测试，所得数据的平均值可表征为此截面层间剪切强度。
例2：截面形状不规则且截面强度呈规律分布试样的某一剪切强度检测。
现需测定一不规则纤维复合材料型材截面某一剪切强度，已知剪切强度呈规律分布。首先将不规则型材沿垂直于纤维方向裁切成薄片，要求切割面平整，并将表面擦拭干净。如图7所示，在切割面上用笔每隔一定距离沿所测等强度曲线均匀标记加载测点。
将本申请的装置置于压力机下压头面上，调整承载底板3的放置位置，使底板上圆水准器4的气泡居中。调整支撑臂5，使引导套筒2位于承载底板3上方高于试样厚度处，继续调整并使引导套筒2上的圆水准器4气泡居中，同时确保压力针1可以顺利通过承载底板3孔洞。将切好的切片平整的放在承载底板3上，并向下轻按压力针1，保证压力针1与试样上加载点密切接触。
上述剪切测试装置安装需在压力机上进行，安装完毕后进行剪切试验；采用压力机对压力针1施加荷载直至达到峰值，并依次完成所有标记点的剪切强度测试，所得数据的平均值可表征为此剪切强度。
例3：截面形状不规则且截面强度呈随机分布试样的剪切强度分布测定。
现需测定一不规则纤维复合材料型材截面剪切强度分布。首先将不规则型材沿垂直于纤维方向裁切薄片，要求切割面平整，并将表面擦拭干净。如图8所示，在需要检测强度分布的切割面上用笔标记出均匀分布的加载测点。
将本申请装置置于压力机下压头面上，调整承载底板3放置位置，使得底板上圆水准器4气泡在保持中间。调整支撑臂5，使得引导套筒2位于承载底板3上方刚好高于试样厚度处，使引导套筒2上的圆水准器4气泡居中，同时压力针1可以顺利通过承载底板3的孔洞。将切好的切片平整的放在承载底板3上，并向下轻按压力针1，保证压力针1与试样上加载点密切接触。
上述剪切测试装置安装需在压力机上进行，安装完毕后进行剪切试验；采用压力机对压力针1施加荷载直至达到峰值，依次完成所有标记点的剪切强度测试，所得数据分布可表征为整体剪切强度分布。重复上述试验，并对多个试样的相同位置测点强度取平均值可提高试验准确性。

Claims (7)

1.一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，其特征在于：它包括承载底板(3)、支撑臂(5)、引导套筒(2)及压力针(1)，其中所述承载底板(3)放置在压力机的工作台上，且承载底板(3)上沿竖直方向开设有通孔(31)，所述引导套筒(2)通过支撑臂(5)安装在承载底板(3)的上方，所述压力针(1)固装在压力机的压头上且所述压力针(1)竖直穿设在引导套筒(2)内，压力针(1)与所述通孔(31)上下正对设置，纤维复合材料试样(6)水平放置在压力针(1)下方的承载底板(3)上，且在进行剪切测试过程中，压力针(1)的下部穿透纤维复合材料试样(6)后插设在通孔(31)内，引导套筒(2)的外部沿水平方向垂直固装有连接板(7)，所述支撑臂(5)与所述引导套筒(2)之间通过所述连接板(7)连接，所述支撑臂(5)包括第一杆臂(51)与第二杆臂(52)，其中两个杆臂之间、所述第一杆臂(51)与所述承载底板(3)之间以及所述第二杆臂(52)与连接板(7)之间均通过螺杆连接且通过螺母固定；通过支撑臂(5)调整引导套筒(2)在水平方向的位置以及引导套筒(2)的中心轴线相对于承载底座的垂直度；
所述压力针(1)包括位于上部的限位段(11)及位于下部的工作段(12)，其中所述限位段(11)与压力机的压头底端固接，且限位段(11)与引导套筒(2)之间为间隙配合。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，其特征在于：所述承载底板(3)上以及所述连接板(7)上均设置有圆水准器(4)。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，其特征在于：所述限位段(11)为圆柱段结构，且所述引导套筒(2)为圆形套筒。
4.根据权利要求1或3所述的一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，其特征在于：限位段(11)上沿其周向开设有至少一个环槽，所述环槽与所述工作段(12)同轴设置。
5.根据权利要求4所述的一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，其特征在于：工作段(12)的直径范围为0.5mm-10mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，其特征在于：纤维复合材料试样(6)的厚度小于压力针(1)的工作段(12)长度。
7.根据权利要求1所述的一种用于测试纤维复合材料层间剪切强度分布的装置，其特征在于：压力针(1)的工作段(12)直径小于承载底板(3)上的通孔(31)内径设置。
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