CN113252453A - 测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，包括两个张拉弧形钢块、两个固定弧形钢块、四根螺杆、连接节点、两个连接件、两个支撑杆、牵引机构、轴向应变片、环形应变片；四根螺杆均与连接节点固定；连接件与固定弧形钢块螺纹连接，连接件与螺杆螺纹连接，两个连接件排列成一字形；支撑杆与螺杆螺纹连接，支撑杆抵住张拉弧形钢块的内侧面，两个支撑杆排列成一字形；牵引机构与两个张拉弧形钢块可拆卸式连接；轴向应变片和环向应变片设在环形试样的外表面。本发明还涉及测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验方法。本发明测量精通高，通用性强，属于土木工程中结构材料性能检测技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程中结构材料性能检测技术，具体涉及测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置和试验方法。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，即FRP)作为一种新型的材料，具有强度高、耐腐蚀性好等优良的性能，近年来被广泛应用于土木工程领域，其中最典型的应用为纤维增强复合材料管(以下简称：复材管)约束混凝土。复材管既可以采用湿铺法手工制作，也可以直接采用拉挤制作或纤维缠绕制作。在轴向压力的作用下，混凝土的横向膨胀能够有效的被接近环向布置的纤维所约束，从而大大的提高了构件的强度和延性。对于复材管约束混凝土而言，复材管的环向拉伸性能(包括环向极限拉伸应变、环向弹性模量和泊松比)，特别是环向弹性模量和环向极限拉伸应变对于其力学性能有着至关重要的影响。在测量复合材料拉伸性能的试验方法中，除了直条形片材拉伸试验以及传统的分裂盘试验外，世界各国的学者也提出了各种各样的试验方法，但是现有的这些方法在实际应用中都存在着一定的局限性，仍然没有一个准确便捷的解决方案。
利用直条形片材拉伸试验方法来测量纤维增强复合材料的拉伸性能在很多国家和地区的试验规范里都有明确的阐述，例如《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》[ASTM D3039/D3039M-14(2014)]、《土木工程加固用纤维增强复合材料拉伸性能标准试验方法》[ASTM D7565/D7565 M-10(2017)]、《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》[GB/T 3354(2014)、《纤维增强复合材料弹性常数测试方法》[GB/T 32376(2015)]等等。但是，直条形片材拉伸试验方法主要适用于连续的单向纤维增强复合材料平板。对复材拉挤或缠绕管而言，沿其环向只能截取出弧形试样，无法采用直条形片材拉伸试验方法；而对于采用手工湿铺法制作的复材管，虽然可以制作出与管材相同材料和相同铺层的直条形片材试样，并进行拉伸试验，但是由于两者之间曲率的差别，以及制作方法的不同，直条形片材拉伸试验方法的结果很难准确标定复材管的实际性能。
相较于直条形片材试验方法，传统的分裂盘试验方法采用了环形试样，相对完整的保持了管材的原有形状，被广泛应用于测量复材管的环向性能，如《塑料或增强塑料管表观环向拉伸强度标准试验方法》[ASTM D2290-16(2016)]和《塑料管道系统——玻璃纤维增强热固塑料管表观初始周向拉伸强度试验方法》[ISO 8521(2009)]均采用了此方法。但是传统的分裂盘试验方法中，为减少环形试样与分裂盘之间的摩擦力对试验结果的不利影响，环形试样的测试段应尽可能的靠近两个半圆形分裂盘的间隙处。但是，随着试验的进行，在拉力作用下两个分裂盘逐渐分离，从而在环形试样的测试段上将产生了无法避免的弯曲，导致试验最终无法获取准确的复材管环向拉伸弹性模量。针对这个问题，人们提出了很多种改进分裂盘试验的措施，例如让环形试样的测试段远离分裂盘的间隙处，以消除环形试样弯曲对测试结果的影响，但这样的处理却带来了另外一个问题：环形试样与分裂盘之间的摩擦使得环形试样上产生沿圆周方向的拉伸应力梯度，导致无法获取测试段准确的拉伸应力，从而也无法获得准确的复材管环向拉伸材料性能。另外，不管是工业化生产的复材缠绕管还是手工湿铺法制作的复材管，其管径和壁厚都存在一定的离散，而固定尺寸的分裂盘对复材管管径的离散度适应性较差，当分裂盘和复材管的直径差别越大时，上述由于测试段的弯曲所导致的测量误差将越大。
如果想要消除弯曲、摩擦力等不利因素对测定复材管环向性能的影响，新型的分裂盘试验方法是最佳的选择。首先，新型分裂盘试验方法的环形试样保证了复材管的完整性。另外，新型分裂盘试验方法通过十字形四向螺杆来调节两个测试段固定弧形钢块之间的间距，可以很好的适应复材管管径的离散度，同时考虑实际复材管和测试段固定弧形钢块之间弧度的差别，在两者之间的空隙处插入直径渐变的滚针，以确保环形试样的测试段在试验过程中能够一直保持原有的弧度，处于拉伸状态，而不出现局部的弯曲。还有，张拉弧形钢块和固定弧形钢块的间隙离环形试样的测试段很近，加之通过涂抹润滑油尽可能消除环形试样测试段与固定弧形钢块之间的摩擦力，因此可以忽略试验过程中摩擦力对测试结果的影响。根据以上几点，新型分裂盘试验方法所测得的复材管环向弹性模量和环向拉伸极限应变非常可靠。
综上，根据对现有技术的分析可以得知，传统测量复合材料力学性能的试验方法主要存在以下两个缺陷，使其无法适用于测定结构工程用复材管环向拉伸弹性模量、泊松比、环向极限拉伸应变和环形拉伸强度：
缺陷1：直条形片材拉伸试验方法只适用于测定复材平板的相关性能，无法解决复材管沿环向具有弧度的问题；
缺陷2：传统的分裂盘试验方法无法避免的弯曲或摩擦问题导致其所测得的复材管环向弹性模量误差较大，且固定尺寸的分裂盘对复材管管径偏差的适应性差；
另外，根据结构工程用复材管的特点，还有学者提出了内压试验方法和弧形试样拉伸试验方法用来测试复材管的环向性能。但是前者因为试验中复材管高压状态下端部难以密闭的原因，后者因为需要将弧形试样拉直，所以两种试验方法均无法测得试样的环向拉伸强度和环向极限拉伸应变；另外，这两种试验方法也无法适用于直径较小、管壁较厚的复材管。
为解决现有试验方法的局限性，依据现有的技术条件，本发明提出了一个针对于测量结构工程用复材管环向弹性模量、泊松比、环向极限拉伸应变和环形拉伸强度简易可行、结果可靠、适用性广的试验方法。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种测量精度高、通用性强的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置和试验方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，包括两个张拉弧形钢块、两个固定弧形钢块、四根螺杆、连接节点、两个连接件、两个支撑杆、牵引机构、轴向应变片、环形应变片；四根螺杆均与连接节点固定，四根螺杆呈十字形分布；连接件的一端为螺杆，连接件的另一端为螺母；两个固定弧形钢块的内侧面均设有螺纹孔，连接件的螺杆端与固定弧形钢块的螺纹孔螺纹连接，连接件的螺母端与螺杆螺纹连接，两个连接件排列成一字形；支撑杆的一端为螺母，支撑杆的另一端为钢棒，支撑杆的螺母端与螺杆螺纹连接，支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块的内侧面，两个支撑杆排列成一字形；将两个张拉弧形钢块向外拉伸的牵引机构与两个张拉弧形钢块可拆卸式连接；两个张拉弧形钢块与环形试样的内壁贴合的外侧面均为外凸的弧形面；两个固定弧形钢块与环形试样的内壁贴合的外侧面均为外凸的弧形面；轴向应变片和环向应变片设在环形试样的外表面。采用这种结构后，测量精度高，通用性强，解决了且固定尺寸的分裂盘对复材管管径偏差的适应性差的问题。
作为一种优选，还包括滑动挡板、多套滚针；张拉弧形钢块设有滑槽，滑槽的数量为两个，两个滑槽分别位于张拉弧形钢块从内向外倾斜的两个侧面；滑动挡板的数量为四块，一个张拉弧形钢块中，两个滑槽与两块滑动挡板配合；滑槽设有收缩位和伸出位，滑动挡板位于收缩位时滑动挡板的端部与张拉弧形钢块的外侧面端部对齐，滑动挡板从收缩位向外滑到伸出位时滑动挡板的端部抵住环形试样的内壁；环形试样内壁、张拉弧形钢块外侧面和滑动挡板之间围成滚针安装部，每一个滚针安装部处设置一套滚针，每一套滚针均包括多根滚针，多根滚针按直径由大到小依次排列。采用这种结构后，选择合适直径的滚针，插入到环形试样、张拉弧形钢块和钢挡板所围成的滚针安装部，确保环形试样张拉过程中，环形试样的弧度可以保持不变，解决了传统的分裂盘试验方法无法避免的弯曲或摩擦问题导致其所测得的复材管环向弹性模量误差较大的问题
作为一种优选，每一套滚针中，滚针的直径为0.5mm-5mm；相邻的两根滚针直径之差为0.5mm。
作为一种优选，牵引机构包括两个钢夹头、两个插销；两个张拉弧形钢块的厚度方向均设有通孔，钢夹头设有与通孔对应的固定孔，张拉弧形钢块通过插销与钢夹头连接，插销穿过通孔，插销的两端与固定孔配合；钢夹头上设有与拉伸试验机连接的端杆。
作为一种优选，连接节点为立方体结构，螺杆与连接节点为一体成型结构。
作为一种优选，张拉弧形钢块内侧面为平面，支撑杆的钢棒端头部为平面，支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块内侧面，支撑杆的钢棒端尾部设有螺纹段，与支撑杆的螺母端螺纹连接。
作为一种优选，环形试样为环形片条状结构，环形试样包括两段宽度较大的连接段、两段宽度较小的测试段，连接段与测试段交替分布；两段测试段分别与两块张拉弧形钢块外侧面对中；轴向应变片和环向应变片位于测试段的中部。
测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验方法，采用测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，包括如下步骤：
(1)环形试样制作：环形试样取自于试验用或工程实际用同批次的复合材料管，环形试样总数不少于5个；
(2)环形试样安装：
a.在环形试样两个测试段的中心位置沿环向分别贴上1个应变片，该环向粘贴的应变片为环形应变片，在环向应变片两端沿环形试样的轴向贴上2个应变片，这两个轴向粘贴的为轴向应变片；
b.将环形试样内壁涂抹润滑油；
c.将两个张拉弧形钢块和两个固定弧形钢块放置于环形试样内，保证两个张拉弧形钢块、两个固定弧形钢块的弧顶接触环形试样的内壁，其中张拉弧形钢块与环形试样的测试段对中；
d.将两个连接件、两个支撑杆分别与四根螺杆连接并放入环形试样内，通过旋转连接件螺母端内调节连接件与螺杆的总长度，通过旋转支撑杆螺母端调节支撑杆与螺杆的总长度；其中两个连接件的螺杆端旋入固定弧形钢块的螺纹孔，确保固定弧形钢块的位置不变；两个支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块的内侧面，临时固定张拉弧形钢块的位置；
e.滑动张拉弧形钢块的滑动挡板抵住环形试样的内壁，环形试样、张拉弧形钢块外侧面和滑动挡板之间围成滚针安装部；
f.在多套滚针中选择与滚针安装部大小对应的滚针，插入到滚针安装部；
g.在张拉弧形钢块上安装插销和钢夹头；
h.钢夹头上的端杆与拉伸试验机连接；
(3)加载：拉伸试验以3-5mm/min的恒定速率进行，加载至环形试样被拉断；
(4)数据的选取和计算：记录试验过程中环形试样所承受的最大荷载值；选取试验过程中环形试样的环向应变的试验数据，计算得到环形试样每个测试段的环向拉伸弹性模量和泊松比；试验方法要求的破坏模态为：断裂面出现在环形试样测试段的中部，只记录断裂面出现在环形试样测试段中部时的试验数据，计算获取环形试样的环向拉伸强度和环向极限拉伸应变。
作为一种优选，步骤d中，选取试验过程中环形试样的环向应变的试验数据，计算得到环形试样测试段的环向拉伸弹性模量和泊松比；
环形试样测试段的环向拉伸应力由下式计算：
式中：
σθ——环形试样测试段的环向拉伸应力，单位为MPa；
Ft——环形试样的拉伸荷载，单位为N；
t——环形试样测试段的平均厚度，单位为mm；
h——环形试样测试段的平均宽度，单位为mm；
环形试样测试段的环向拉伸弹性模量由下式计算：
式中：
Eθ——环形试样测试段的环向拉伸弹性模量，单位为MPa；
εθ——环形试样测试段的环向应变，为测试段上环向应变片的读数；
Δεθ——环形试样测试段在弹性范围内的环向应变增量，应至少为0.2％，建议选取测试段环向应变0.1％～0.3％的范围；
Δσθ——与测试段环向应变增量Δεθ对应的测试段环向拉伸应力增量，单位为N；
环形试样测试段的环向泊松比由下式计算：
式中：
vθx——环形试样测试段的环向泊松比；
εx——环形试样测试段的平均轴向应变，为测试段上两个轴向应变片读数的平均值；
Δεx——与测试段环向应变增量Δεθ对应的测试段平均轴向应变的增量。
作为一种优选，步骤d中，选取符合破坏模态要求的测试段的试验数据，计算得到环形试样的环向拉伸强度和环向极限拉伸应变值；
环形试样的环向拉伸强度由下式计算：
式中：
Pt——满足破坏模态要求的测试段环向拉伸强度，单位为MPa；
Ft，max——环形试样的最大拉伸荷载，单位为N；
t——符合破坏模态要求的环形试样测试段的平均厚度，单位为mm；
h——符合破坏模态要求的环形试样测试段的平均宽度，单位为mm；
环形试样的环向极限拉伸应变，εh，max，为满足破坏模态要求的测试段上环向应变片在环形试样断裂瞬间所测得的最大应变值。
总的说来，本发明具有如下优点：
(1)本发明能够精确的测量复合材料管的环向拉伸性能，包括环向拉伸应力、环向拉伸弹性模量、泊松比、环向拉伸强度和环向极限拉伸应变。
(2)本发明所设计的螺杆可用于调节弧形钢块之间的间距，滚针可以确保张拉弧形钢块能够很好的适应复合材料管管径的离散。
(3)本发明适用性广，有以下方面：a.除了典型的复材拉挤缠绕管之外，本发明还适用于采用湿铺法手工制作的复材管；b.对所测复材管几何尺寸(直径和厚度)的离散水平有较高的接受度；c.适用于任何纤维缠绕或铺陈角度的复材管；d.适用于任何直径和厚度的复材管。
附图说明
图1a是环形试样的俯视图；
图1b是环形试样的侧视图；
图2是应变片粘贴在环形试样外侧面的示意图；
图3a是张拉弧形钢块的立体图；
图3b是张拉弧形钢块的俯视图；
图4a是固定弧形钢块的立体图；
图4b是固定弧形钢块的俯视图；
图5a是连接节点、螺杆、连接件和支撑杆的爆炸图；
图5b是连接节点、螺杆、连接件和支撑杆连接示意图；
图6是一套滚针的立体图；
图7是张拉弧形钢块和固定弧形钢块安装在环形试样内侧的示意图；
图8是连接节点、螺杆、连接件、支撑杆、张拉弧形钢块和固定弧形钢块安装在环形试样内侧的示意图；
图9是滑动挡板的放大图；
图10a是滚针安装在滚针安装部的示意图；
图10b是滚针安装在滚针安装部的局部放大图；
图11是钢夹头安装示意图；
图12是测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置的立体图；
图13a是符合破坏模态要求的环形试样示意图；
图13b是不符合破坏模态要求的环形试样示意图；
图14是试验的环向应力-应变曲线图。
其中，1为张拉弧形钢块，2为固定弧形钢块，3为滚针，4为连接件，5为插销，6为钢夹头，7为滑动挡板，8为环形试样，9为环向应变片，10为轴向应变片，11为支撑杆，12为连接节点，13为螺杆，A为最大载荷点。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，包括两个张拉弧形钢块、两个固定弧形钢块、四根螺杆、连接节点、两个连接件、两个支撑杆、牵引机构、轴向应变片、环形应变片；四根螺杆均与连接节点固定，四根螺杆呈十字形分布；连接件的一端为螺杆，连接件的另一端为螺母；两个固定弧形钢块的内侧面均设有螺纹孔，连接件的螺杆端与固定弧形钢块的螺纹孔螺纹连接，连接件的螺母端与螺杆螺纹连接，两个连接件排列成一字形；支撑杆的一端为螺母，支撑杆的另一端为钢棒，支撑杆的螺母端与螺杆螺纹连接，支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块的内侧面，两个支撑杆排列成一字形；将两个张拉弧形钢块向外拉伸的牵引机构与两个张拉弧形钢块可拆卸式连接；两个张拉弧形钢块与环形试样的内壁贴合的外侧面均为外凸的弧形面；两个固定弧形钢块与环形试样的内壁贴合的外侧面均为外凸的弧形面；轴向应变片和环向应变片设在环形试样的外表面。连接件配合螺杆调整两个固定弧形钢块之间的距离，支撑杆配合螺杆调整两个张拉弧形钢块之间的距离，从而确保两个固定弧形钢块和两个张拉弧形钢块的外侧面均贴于环形试样的内壁。
还包括滑动挡板、多套滚针；张拉弧形钢块设有滑槽，滑槽的数量为两个，两个滑槽分别位于张拉弧形钢块从内向外倾斜的两个侧面；此处两个侧面为张拉弧形钢块外侧面(弧形面)两端与内测面(平面)两端的连接面，滑动挡板的数量为四块，一个张拉弧形钢块中，两个滑槽与两块滑动挡板配合；滑槽设有收缩位和伸出位，滑动挡板位于收缩位时滑动挡板的端部与张拉弧形钢块的外侧面端部对齐，滑动挡板从收缩位向外滑到伸出位时滑动挡板的端部抵住环形试样的内壁；环形试样内壁、张拉弧形钢块外侧面和滑动挡板之间围成滚针安装部，每一个滚针安装部处设置一套滚针，每一套滚针均包括多根滚针，多根滚针按直径由大到小依次排列。每一套滚针中，滚针的直径为0.5mm-5mm；相邻的两根滚针直径之差为0.5mm。滚针安装部形成于张拉弧形钢块外侧面的两端，安装在滚针安装部的滚针从张拉弧形钢块外侧面的端部向弧顶排列成行，滚针的长度方向与张拉弧形钢块的厚度方向一致，滑动挡板从收缩位向外滑到伸出位时滑动挡板的端部抵住环形试样的内壁，限制滚针从张拉弧形钢块外侧面滑落。
牵引机构包括两个钢夹头、两个插销；两个张拉弧形钢块的厚度方向均设有通孔，钢夹头设有与通孔对应的固定孔，张拉弧形钢块通过插销与钢夹头连接，插销穿过通孔，插销的两端与固定孔配合；钢夹头上设有与拉伸试验机连接的端杆。钢夹头包括横板、两块竖板、端杆；两块竖板平行设置在横板的两端，竖板与横板相互垂直，竖板与横板为一体成型结构，竖板设有与通孔对应的固定孔，固定孔大小与插销对应，端杆垂直于横板，端杆位于横板中部，端杆朝向与竖板朝向相反。
连接节点为立方体结构，螺杆与连接节点为一体成型结构。张拉弧形钢块内侧面为平面，支撑杆的钢棒端头部为平面，支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块内侧面，支撑杆的钢棒端尾部设有螺纹段，与支撑杆的螺母端螺纹连接。
环形试样为环形片条状结构，环形试样包括两段宽度较大的连接段、两段宽度较小的测试段，连接段与测试段交替分布；两段测试段分别与两块张拉弧形钢块外侧面对中；轴向应变片和环向应变片位于测试段的中部。轴向应变片和环向应变片用以测量环形试样在环向拉伸过程中的环向和轴向应变。根据试验中所测得的拉力数据、应变数据计算获取环形试样的环向拉伸弹性模量、泊松比、环向拉伸强度和环向极限拉伸应变。
1环形试样
1.1环形试样型式
环形试样需取自于试验用或工程实际用同批次的复材管，环形试样总数不少于5个。环形试样型式见图1a和1b，环形试样宽度较小的为环形试样的测试段。D为环形试样内径；t为环形试样厚度；H为环形试样连接段宽度；h为环形试样测试段宽度；l为环形试样测试段的弧长。
1.2环形试样尺寸
测试段宽度(h)不应超过35mm，同时为了方便粘贴应变片，测试段宽度不宜小于20mm；环形试样连接段宽度H＝20mm+测试段宽度h；测试段弧长(l)不宜小于20mm，为了减少测试段的摩擦力，不应大于50mm。如图1a和b所示。
1.3环形试样内壁要求
为了保证环形试样内壁与固定弧形钢块、张拉弧形钢块外侧面紧密贴合，环形试样内壁应平滑、无分层、撕裂等现象，其余面应无损伤。
1.4环形试样应变片的粘贴
如图2所示，在环形试样测试段中心位置沿环向粘贴一个单向应变片，该环向粘贴的应变片为环形应变片，在环向应变片的两侧沿环形试样轴向各粘贴一个单向应变片，这两个轴向粘贴的为轴向应变片。宜采用标距为5mm至20mm的应变片。
1.5环形试样数量
力学性能环形试样每组不少于5个，并保证同批次有5个有效环形试样，物理性能环形试样按相应标准的规定。
2试验条件
2.1试验环境条件
2.1.1实验室标准环境条件
温度：(23±2)℃；相对湿度：(50±10)％。
2.1.2实验室非标准环境条件
若不具备实验室标准环境条件时，选择接近实验室标准环境条件的实验室环境条件。
2.2试验状态调节
具备条件时至少在温度(23±2)℃、相对湿度(50±10)％的环境中放置24h并在相同环境下进行试验。不具备条件时在实验室环境温度下进行试验。
3装置和设备
3.1试验装置
复合材料管环向拉伸性能试验方法的试验装置由两个张拉弧形钢块、两个固定弧形钢块、四根螺杆、连接节点、两个连接件、两个支撑杆、牵引机构、轴向应变片、环形应变片、滚针和滑动挡板组成；如图12所示。其中，张拉弧形钢块和固定弧形钢块弧形段的直径均为d，半径均为r,d＝环形试样直径D-2mm＝2r，宽度为H1＝环形试样宽度H+10mm(此处宽度指的是张拉弧形钢块和固定弧形钢块的厚度)；张拉弧形钢块的弧长为l1，l1＝环形试样测试段弧长l+20mm。
3.2试验设备
试验的拉伸设备可以采用配有拉力调节器和液压储存器的拉伸系统。试验设备应符合以下要求：
3.2.1拉力系统应具有对环形试样均匀、连续拉伸的能力。
3.2.2拉力系统需连接拉力传感器，其相对误差应不大于满刻度的1％。
3.2.3试验过程中应配备必要的安全防护措施，对拉力系统应进行安全检查。
3.2.4试验设备应定期经具有相应资格的计量部门进行校准。
3.2.5物理性能用试验设备应符合相应标准的规定。
3.3拉伸速度
拉伸试验以3-5mm/min的恒定速率进行，加载至环向试样被拉断。
4试验步骤
4.1环形试样制备按1.1、1.2、1.3和1.4的规定。
4.2环形试样需经外观检查，如有缺陷和不符合尺寸及制备要求的环形试样，应作废。
4.3将合格环形试样进行编号，并测量环形试样的内径以及环形试样测试段的厚度和宽度，测量精确到0.01mm。在环形试样两个端面上，分别测量相互垂直两个方向上内径，取其平均值为平均内径。在环形试样测试段五个等间隔处测量壁厚和宽度，舍弃其中最大值和最小值，取其余各点的平均值为平均壁厚和平均宽度
4.4环形试样的安装：
4.4.1在环形试样两个测试段的中心位置沿环向分别贴上1个应变片，然后在环向应变片两端沿环形试样的轴向贴上2个应变片，如图2所示；
4.4.2将环形试样内壁涂抹润滑油，以减小拉伸试验过程中环形试样和弧形钢块之间的摩擦力；
4.4.3将两个张拉弧形钢块和两个固定弧形钢块放置于环形试样内，保证两个张拉弧形钢块和两个固定弧形钢块的弧顶接触环形试样的内壁，其中张拉弧形钢块与环形试样的测试段对中，如图7所示；
4.4.4将两个连接件、两个支撑杆分别与四根螺杆连接并放入环形试样内，通过旋转连接件螺母端内调节连接件与螺杆的总长度，通过旋转支撑杆螺母端调节支撑杆与螺杆的总长度；其中两个连接件的螺杆端旋入固定弧形钢块的螺纹孔，确保固定弧形钢块的位置不变；两个支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块的内侧面，临时固定张拉弧形钢块的位置，如图8所示。
4.4.5滑动张拉弧形钢块的滑动挡板抵住环形试样的内壁，环形试样、张拉弧形钢块外侧面和滑动挡板之间围成滚针安装部；如图9所示；
4.4.6在多套滚针中选择与滚针安装部大小对应的滚针，插入到滚针安装部；如图10a和10b所示；
4.4.7在张拉弧形钢块上安装插销和钢夹头；如图11所示；
4.4.8将钢夹头上的端杆与拉伸试验机连接；从而整个试验装置安装在拉伸试验机上。
4.5环形试样状态调节按2.2的规定。
4.6加载速度按3.3的规定，均匀、连续的拉伸，直至环形试样破坏。
4.7试验过程中，需要采集并储存的数据包括：环形试样的拉伸荷载、应变和拉伸时间。
5环形试样的破坏模态
试验方法要求的破坏模态为：断裂面出现在环形试样测试段的中部，只记录断裂面出现在环形试样测试段中部时的试验数据，计算获取环形试样的环向拉伸强度和环向极限拉伸应变。
最终环形试样被拉断，图13a和13b为环形试样的两种典型破坏模态，图13a所示断裂面出现在测试段中部，为符合破坏模态的要求，该测试段的试验数据可以用来计算环形试样的环向拉伸强度和环向极限应变；图13b断裂面出现在测试段端部，为不符合破坏模态的要求，出现该破坏模态的试验段数据不能用于计算环形试样的环向拉伸强度和环向极限应变。
6计算
6.1图14所示为典型的结构工程用复合材料管环向拉伸性能试验的全过程环向应力-应变曲线。以上均规定拉为正，压为负。
6.2按照式(1)计算环形试样测试段的环向拉伸应力：
式中：
σθ——环形试样测试段的环向拉伸应力，单位为MPa；
Ft——环形试样的拉伸荷载，单位为N；
t——环形试样测试段的平均厚度，单位为mm；
h——环形试样测试段的平均宽度，单位为mm。
6.3按照式(2)计算环形试样测试段的环向拉伸弹性模量：
式中：
Eθ——环形试样测试段的环向拉伸弹性模量，单位为MPa；
εθ——环形试样测试段的环向应变，为测试段上环向应变片的读数；
Δεθ——环形试样测试段在弹性范围内的环向应变增量，应至少为0.2％，建议选取测试段环向应变0.1％～0.3％的范围；
Δσθ——与测试段环向应变增量Δεθ对应的测试段环向拉伸应力增量，单位为MPa；
6.4按照式(3)计算环形试样测试段的环向泊松比：
式中：
vθx——环形试样测试段的环向泊松比；
εx——环形试样测试段的平均轴向应变，为测试段上两个轴向应变片读数的平均值；
Δεx——与测试段环向应变增量Δεθ对应的测试段平均轴向应变的增量。
6.5按照式(4)计算环形试样的环向拉伸强度：
式中：
Pt——符合破坏模态要求的测试段环向拉伸强度，单位为MPa；
Ft，max——环形试样的最大拉伸荷载，单位为N；
t——符合破坏模态要求的环形试样测试段的平均厚度，单位为mm；
h——符合破坏模态要求的环形试样测试段的平均宽度，单位为mm。
环形试样的环向极限拉伸应变，εh，max，为符合破坏模态要求的测试段环向应变片在环形试样断裂瞬间所测得的最大应变值。
7试验结果
应求出环向初始弹性模量、环向初始泊松比等试验结果的算数平均值、标准差、离散系数等。对于离散系数较大的，应分析具体原因。如是因环形试样质量问题，应重新制作一批环形试样再次进行试验。
7.1每个环形试样包括两个测试段，每个测试段的性能值(除Pt和εh，max外)：X1，X2，X3，…,Xn；每个环形试样的环向拉伸强度Pt和环向极限应变εh，max：X1，X2，X3，…,Xn。必要时，应说明每个环形试样的破坏情况。
7.2按照式(5)计算算术平均值，计算到三位有效数字：
式中：
Xi——对于性能参数Pt和εh，max而言，为符合破坏模态要求的每个环形试样的性能值；对于其他性能值，为每个测试段的性能值；
n——对于性能参数Pt和εh，max而言，为符合破坏模态要求的环形试样数；对于其它性能值，为(环形试样数×2)。
7.3按照式(6)计算标准差S，计算到二位有效数字：
式中：
S——标准差。
7.4按照式(7)计算离散系数Cv，计算到二位有效数字：
式中：
Cv——离散系数。
7.5平均值的置信区间。
按ISO 2602:1980计算。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：包括两个张拉弧形钢块、两个固定弧形钢块、四根螺杆、连接节点、两个连接件、两个支撑杆、牵引机构、轴向应变片、环形应变片；
四根螺杆均与连接节点固定，四根螺杆呈十字形分布；连接件的一端为螺杆，连接件的另一端为螺母；两个固定弧形钢块的内侧面均设有螺纹孔，连接件的螺杆端与固定弧形钢块的螺纹孔螺纹连接，连接件的螺母端与螺杆螺纹连接，两个连接件排列成一字形；支撑杆的一端为螺母，支撑杆的另一端为钢棒，支撑杆的螺母端与螺杆螺纹连接，支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块的内侧面，两个支撑杆排列成一字形；将两个张拉弧形钢块向外拉伸的牵引机构与两个张拉弧形钢块可拆卸式连接；两个张拉弧形钢块与环形试样的内壁贴合的外侧面均为外凸的弧形面；两个固定弧形钢块与环形试样的内壁贴合的外侧面均为外凸的弧形面；轴向应变片和环向应变片设在环形试样的外表面。
2.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：还包括滑动挡板、多套滚针；张拉弧形钢块设有滑槽，滑槽的数量为两个，两个滑槽分别位于张拉弧形钢块从内向外倾斜的两个侧面；滑动挡板的数量为四块，一个张拉弧形钢块中，两个滑槽与两块滑动挡板配合；滑槽设有收缩位和伸出位，滑动挡板位于收缩位时滑动挡板的端部与张拉弧形钢块的外侧面端部对齐，滑动挡板从收缩位向外滑到伸出位时滑动挡板的端部抵住环形试样的内壁；环形试样内壁、张拉弧形钢块外侧面和滑动挡板之间围成滚针安装部，每一个滚针安装部处设置一套滚针，每一套滚针均包括多根滚针，多根滚针按直径由大到小依次排列。
3.按照权利要求2所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：每一套滚针中，滚针的直径为0.5mm-5mm；相邻的两根滚针直径之差为0.5mm。
4.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：牵引机构包括两个钢夹头、两个插销；两个张拉弧形钢块的厚度方向均设有通孔，钢夹头设有与通孔对应的固定孔，张拉弧形钢块通过插销与钢夹头连接，插销穿过通孔，插销的两端与固定孔配合；钢夹头上设有与拉伸试验机连接的端杆。
5.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：连接节点为立方体结构，螺杆与连接节点为一体成型结构。
6.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：张拉弧形钢块内侧面为平面，支撑杆的钢棒端头部为平面，支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块内侧面，支撑杆的钢棒端尾部设有螺纹段，与支撑杆的螺母端螺纹连接。
7.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：环形试样为环形片条状结构，环形试样包括两段宽度较大的连接段、两段宽度较小的测试段，连接段与测试段交替分布；两段测试段分别与两块张拉弧形钢块外侧面对中；轴向应变片和环向应变片位于测试段的中部。
8.测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验方法，采用权利要求1-7中任一项所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验装置，其特征在于：包括如下步骤：
(1)环形试样制作：环形试样取自于试验用或工程实际用同批次的复合材料管，环形试样总数不少于5个；
(2)环形试样安装：
a.在环形试样两个测试段的中心位置沿环向分别贴上1个应变片，该环向粘贴的应变片为环形应变片，在环向应变片两端沿环形试样的轴向贴上2个应变片，这两个轴向粘贴的为轴向应变片；
b.将环形试样内壁涂抹润滑油；
c.将两个张拉弧形钢块和两个固定弧形钢块放置于环形试样内，保证两个张拉弧形钢块、两个固定弧形钢块的弧顶接触环形试样的内壁，其中张拉弧形钢块与环形试样的测试段对中；
d.将两个连接件、两个支撑杆分别与四根螺杆连接并放入环形试样内，通过旋转连接件螺母端内调节连接件与螺杆的总长度，通过旋转支撑杆螺母端调节支撑杆与螺杆的总长度；其中两个连接件的螺杆端旋入固定弧形钢块的螺纹孔，确保固定弧形钢块的位置不变；两个支撑杆的钢棒端抵住张拉弧形钢块的内侧面，临时固定张拉弧形钢块的位置；
e.滑动张拉弧形钢块的滑动挡板抵住环形试样的内壁，环形试样、张拉弧形钢块外侧面和滑动挡板之间围成滚针安装部；
f.在多套滚针中选择与滚针安装部大小对应的滚针，插入到滚针安装部；
g.在张拉弧形钢块上安装插销和钢夹头；
h.钢夹头上的端杆与拉伸试验机连接；
(3)加载：拉伸试验以3-5mm/min的恒定速率进行，加载至环形试样被拉断；
(4)数据的选取和计算：记录试验过程中环形试样所承受的最大荷载值；选取试验过程中环形试样的环向应变的试验数据，计算得到环形试样每个测试段的环向拉伸弹性模量和泊松比；试验方法要求的破坏模态为：断裂面出现在环形试样测试段的中部，只记录断裂面出现在环形试样测试段中部时的试验数据，计算获取环形试样的环向拉伸强度和环向极限拉伸应变。
9.按照权利要求8所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验方法，其特征在于：步骤d中，选取试验过程中环形试样的环向应变的试验数据，计算得到环形试样测试段的环向拉伸弹性模量和泊松比；
环形试样测试段的环向拉伸应力由下式计算：
式中：
σθ——环形试样测试段的环向拉伸应力，单位为MPa；
Ft——环形试样的拉伸荷载，单位为N；
t——环形试样测试段的平均厚度，单位为mm；
h——环形试样测试段的平均宽度，单位为mm；
环形试样测试段的环向拉伸弹性模量由下式计算：
式中：
Eθ——环形试样测试段的环向拉伸弹性模量，单位为MPa；
εθ——环形试样测试段的环向应变，为测试段上环向应变片的读数；
Δεθ——环形试样测试段在弹性范围内的环向应变增量，应至少为0.2％，建议选取测试段环向应变0.1％～0.3％的范围；
Δσθ——与测试段环向应变增量Δεθ对应的测试段环向拉伸应力增量，单位为N；
环形试样测试段的环向泊松比由下式计算：
式中：
vθx——环形试样测试段的环向泊松比；
εx——环形试样测试段的平均轴向应变，为测试段上两个轴向应变片读数的平均值；
Δεx——与测试段环向应变增量Δεθ对应的测试段平均轴向应变的增量。
10.按照权利要求8所述的测量结构工程用复合材料管环向拉伸性能的试验方法，其特征在于：步骤d中，选取符合破坏模态要求的测试段的试验数据，计算得到环形试样的环向拉伸强度和环向极限拉伸应变值；
环形试样的环向拉伸强度由下式计算：
式中：
Pt——满足破坏模态要求的测试段环向拉伸强度，单位为MPa；
Ft，max——环形试样的最大拉伸荷载，单位为N；
t——符合破坏模态要求的环形试样测试段的平均厚度，单位为mm；
h——符合破坏模态要求的环形试样测试段的平均宽度，单位为mm；
环形试样的环向极限拉伸应变，εh，max，为满足破坏模态要求的测试段上环向应变片在环形试样断裂瞬间所测得的最大应变值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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