CN113484160A - 非同轴双向同步压缩加载装置及其方法 - Google Patents

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CN113484160A CN202110622403.XA CN202110622403A CN113484160A CN 113484160 A CN113484160 A CN 113484160A CN 202110622403 A CN202110622403 A CN 202110622403A CN 113484160 A CN113484160 A CN 113484160A
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Abstract

本申请公开一种非同轴双向同步压缩加载装置及其方法，其中所述装置包括：第一可调高度加载平台和第二可调高度加载平台，所述第一可调高度加载平台上设置有第一压缩加载枪和第一波导杆，所述第二可调高度加载平台上设置有第二压缩加载枪和第二波导杆，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置有单臂弯曲试样；其中，所述第一压缩加载枪产生第一压缩应力波并传输至所述第一波导杆，所述第二压缩加载枪产生第二压缩应力波并传输至所述第二波导杆，所述第一压缩应力波和第二压缩应力波同时到达所述单臂弯曲试样，以实现非同轴双向同步动态加载；其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的高度不同。本申请可用于测定复合材料的动态层间断裂韧性。

Description

非同轴双向同步压缩加载装置及其方法
技术领域
本申请涉及连续纤维增强复合材料的I/II型动态层间断裂韧性的测试技术，尤其涉及一种非同轴双向同步压缩加载装置及其方法。
背景技术
连续纤维增强的复合材料由于其高的比刚度和比强度以及优良的疲劳性能在航空、航天、风能发电等领域得到了广泛的应用。然而，复合材料层间基体较脆且无任何增强相而极易发生层间断裂，即分层。分层损伤会影响复合材料结构的完整度、降低复合材料的剩余强度。一方面，在动态冲击载荷下，复合材料的极易发生分层损伤，且在复合材料服役过程中极易受到各种能量、速度外物的撞击，例如飞机鸟撞、冰雹撞击、低速落锤冲击以及轮胎碎片、发动机叶片的撞击等；另一方面，分层损伤难以检测，在飞机、风机叶片等服役过程中疲劳载荷的作用下有可能进一步扩展，导致复合材料结构灾难性破坏。因此，需要研究对复合材料层间断裂韧性的对于加载速率的相关性。
复合材料的层间断裂可根据其断裂形式分为三种：I型(张开型)，II型(滑开型)以及II型(撕开型)。在复合材料结构中，往往会不会出现单一型的断裂，而是上述三种断裂形式的复合。对于层间断裂，I/II复合型断裂是最普遍的一种断裂形式。因此，需要对冲击载荷下I/II复合型层间断裂的断裂韧性进行测量。定义断裂复合度为：
Figure BDA0003100384000000011
其中，GI(t)和GII(t)分别为裂纹尖端的I型和II型的能量释放率。
准静态下，采用组合梁的加载方法即可实现不同复合度β(0＜β＜1)的I/II复合型层间断裂，且β不随加载时间的变化而变化。目前动态下最常用于测量复合材料I/II型动态层间断裂韧性的加载装置为分离式霍普金森压杆，采用的加载类型为三点弯曲加载。这一方法的基本原理是：将复合材料单臂弯曲梁试样以及试样夹具置于入射杆和透射杆之间，通过短杆撞击的方式在入射杆端输入压缩应力波，对梁试样的中心点进行加载从而实现动态下的I/II复合型层间断裂。但是，上述的实验方法因传统的霍普金森杆只能实现单点加载导致的惯性效应而难以满足I/II型动态层间断裂韧性的测试需求。
动态下，复合材料I/II复合型层间断裂面临以下两个问题：(1)在动态加载过程中，由于惯性效应的影响，其复合度β(t)不再为常数，而是随加载时间变化；(2)目前尚无有效的加载方法实现不同断裂复合度β(0＜β＜1)的动态层间断裂。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种非同轴双向同步压缩加载装置及其方法，以解决现有技术存在的的无法实现动态I/II型层间断裂实验的问题。
根据本申请实施例提出一种非同轴双向同步压缩加载装置，其包括：第一可调高度加载平台和第二可调高度加载平台，所述第一可调高度加载平台上设置有第一压缩加载枪和第一波导杆，所述第二可调高度加载平台上设置有第二压缩加载枪和第二波导杆，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置有单臂弯曲试样；其中，所述第一压缩加载枪产生第一压缩应力波并传输至所述第一波导杆，所述第二压缩加载枪产生第二压缩应力波并传输至所述第二波导杆，所述第一压缩应力波和第二压缩应力波同时到达所述单臂弯曲试样，以实现非同轴双向同步动态加载；其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的高度不同。
其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间具有高度差，所述高度差小于100毫米。
其中，所述装置还包括：控制模块，所述控制模块用于控制所述第一压缩加载枪和所述第二压缩加载枪同时产生压缩应力波。
其中，所述装置还包括：试样夹具，所述试样夹具用于加持和固定所述单臂弯曲试样，其中所述试样夹具包括三点弯曲加载夹具或四点弯曲加载夹具。
其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的长度和材料相同。
根据本申请实施例还提出一种非同轴双向同步压缩加载方法，其包括：提供第一可调高度加载平台和第二可调高度加载平台，在所述第一可调高度加载平台上设置第一压缩加载枪和第一波导杆，在所述第二可调高度加载平台上设置第二压缩加载枪和第二波导杆；其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的高度不同，并且所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置有单臂弯曲试样；通过所述第一压缩加载枪产生第一压缩应力波并传输至所述第一波导杆，通过所述第二压缩加载枪产生第二压缩应力波并传输至所述第二波导杆；使所述第一压缩应力波和第二压缩应力波同时到达所述单臂弯曲试样，以实现非同轴双向同步动态加载。
其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间具有高度差，所述高度差小于100毫米。
其中，所述方法还包括：控制所述第一压缩加载枪和所述第二压缩加载枪同时产生压缩应力波。
其中，所述方法还包括：提供试样夹具，所述试样夹具用于加持和固定所述单臂弯曲试样，其中所述试样夹具包括三点弯曲加载夹具或四点弯曲加载夹具。
其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的长度和材料相同。
根据本申请的技术方案，通过调整两加载杆的相对位置和两波导杆中的应力波幅值，采用了两种不同的试样夹具产生三点弯曲和四点弯曲加载，实现了对单臂梁试样的非同轴非对称(加载比例可调)同步动态加载，完成了动态I/II型层间断裂实验。本申请实验操作简单，通过实验参数的选择(波导杆高度Δh和整形器厚度Δt)，即可实现不同加载速率下，不同复合度0＜β＜1的I/II型动态层间断裂，实验操作可控，实验方法可靠。本申请具有以下两点突破性进步：首先，在加载装置方面，采用了两台电磁加载枪从两个方向同时分别对单臂梁试样进行压缩波加载，实现两加载点同时加载；其次，通过采用不同夹具，调整不同入射波幅值以及波导杆相对高度，实现了不同加载速度、不同断裂复合度的I/II型动态层间断裂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的非同轴双向同步压缩加载装置的示意图；
图2A是根据本申请实施例的非同轴双向同步压缩加载装置的三点弯曲加载的示意图；
图2B是根据本申请实施例的非同轴双向同步压缩加载装置的四点弯曲加载的示意图；
图3是根据本申请实施例的非同轴双向同步压缩加载方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
本申请涉及连续纤维增强复合材料的I/II型动态层间断裂韧性的测试技术，具体是为了实现不同加载速率下不同复合度的层间断裂，而采用的一种电磁感应式非同轴双向同步加载装置及方法，本申请可以用于测定复合材料的动态层间断裂韧性。
参考图1，根据本申请实施例的非同轴双向同步压缩加载装置至少包括：第一压缩加载枪11、第一波导杆12、第二压缩加载枪21和第二波导杆22。其中，第一压缩加载枪11和第二压缩加载枪21均用于产生及发射压缩应力波。在本实施例中，第一压缩加载枪11和第二压缩加载枪21可以是两台相同的加载枪，两台加载枪体的高度可调。所述压缩加载枪主要由主线圈、次级线圈以及波形整形器组成。
继续参考图1，在第一波导杆12和第二波导杆22之间设置有单臂弯曲试样5，单臂弯曲试样5分别与第一波导杆12和第二波导杆22紧密贴合。第一波导杆12与第一压缩加载枪11与连接，第一压缩加载枪11发射的第一压缩应力波通过第一波导杆12传导至单臂弯曲试样5；第二波导杆22与第二压缩加载枪21连接，第二压缩加载枪21发射的第二压缩应力波通过第二波导杆22传导至单臂弯曲试样5。在本实施例中，第一波导杆12和第二波导杆22可以是两根长度相等、材料相同的波导杆。第一波导杆12和第二波导杆22仅在轴线方向能够自由移动。如图所示，第一波导杆12和第二波导杆22是非同轴的，或者说，第一波导杆12和第二波导杆22不在同一水平线上，二者之间具有高度差Δh，Δh的范围可以是0mm≤|Δh|≤100mm。
在本申请的实施例中，控制第一压缩加载枪11产生第一压缩应力波的时间和第二压缩加载枪21产生第二压缩应力波的时间相同，由于第一波导杆12和第二波导杆22的长度和材料相同，因此第一压缩应力波和第二压缩应力波同时能够到达单臂弯曲试样5，从而实现非同轴双向同步动态加载。
参考图2A和2B，根据本申请实施例的非同轴双向同步压缩加载装置包括：加载平台、控制系统7和数据采集系统8。其中，该加载平台具体包括：水平试验台3、以及设置在水平试验台3上的第一加载枪可调平台31、第一波导杆可调平台32、第二加载枪可调平台33、第二波导杆可调平台34、第一压缩加载枪11、第一波导杆12、第二压缩加载枪21和第二波导杆22、试样夹具51、单臂弯曲试样52。
其中，第一加载枪可调平台31用于调节第一压缩加载枪11的高度，第一波导杆可调平台32用于调节第一波导杆12的高度，第二加载枪可调平台33用于调节第二压缩加载枪21的高度，第二波导杆可调平台34用于调节第二波导杆22的高度。
其中，所述压缩加载枪(11、21)主要由主线圈、次级线圈以及波形整形器组成。本实施例中，加载平台所使用的波导杆均为直径15毫米(mm)的钛合金杆，长度为3m，一端带为平面，与压缩加载枪的次级线圈平贴，另一端加工直径为6mm的圆柱凸头，与试样平贴。所述试样52采用一种单臂弯曲试样，试样厚度为4mm，长度为120mm，预制裂纹长度为50mm，宽度为20mm。本实施例中，可采用两种试样夹具51即三点弯曲加载夹具(图2A)或四点弯曲加载夹具(图2B)。三点弯曲加载夹具的优点为简单方便，缺点为只能实现一种复合度的加载；四点弯曲加载夹具的优点为能够实现任意复合度的层间断裂，缺点为相对复杂。
进一步，控制系统7具体可包括：控制模块、主电路充放电模块和电容器组模块。其中，该控制模块用于产生两个独立的脉冲信号触发可控硅整流器进行电容充电。在实施例中，控制模块主要包括电路板、PLC、同步变压器、脉冲变压器、电磁继电器、延时信号发生器等。西门子S7-200SMART系列PLC和西门子SMART 1000IE触摸屏作为加载控制模块的核心，用于实现对整个电磁加载工作流程的控制。所述延时信号发生器采用Stanford ResearchSystems公司的DG645数字延时脉冲发生器，根据延迟时间设置加载枪对应的放电回路。
该主电路充放电模块主要由充电电路和放电电路两部分组成，包括变压器、限流电阻、滤波电感、泄流电阻、真空接触器、电流/电压传感器等，用于对电容器组进行充放电。充电电路中，变压器可将380V电压升压到最大3000V，经过整流对电容器组进行充电，当电容器组电压达到设定电压值后充电电路停止充电。放电电路中，延时信号脉冲触发真空接触器导通，电容器组对放电线圈瞬间放电，产生电磁力。电路通过设置充电电压值，能够有效控制应力波的幅值。
电容器组模块用于加载枪的放电加载。在本实施例中，电容器组中有8个脉冲电容和5个放电可控硅。脉冲电容器的额定电压为4000伏(V)，额定电容为2000微法(μF)，通过串并联组合成0.667毫法(mF)、1毫法、2毫法、4毫法、6毫法的五个梯度，以满足不同脉宽幅值加载波的需求。每个档位电容量固定，直接通过控制模块选择，避免实验过程中反复更换电容器的连接方式以改变电容量大小。通过放电可控硅控制电容器放电，所述电容器组及放电可控硅安装在电容柜中，放电电流输出至加载枪主线圈。
进一步，数据采集系统8包括数据采集器(示波器)、惠斯通电桥、电阻应变片以及直流电压器。所述数据采集器(示波器)采用德国HBM公司制造的GEN3i，所述数据采集器具有较好地干扰屏蔽能力，采用差分法可以屏蔽放电过程中产生的脉冲磁场干扰。所述直流电压器为朝阳电源4NIC-X。
参考图3，根据本申请实施例的非同轴双向同步压缩加载方法，包括：
步骤S302，提供第一可调高度加载平台和第二可调高度加载平台，在所述第一可调高度加载平台上设置第一压缩加载枪和第一波导杆，在所述第二可调高度加载平台上设置第二压缩加载枪和第二波导杆；其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的高度不同，并且所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置有单臂弯曲试样；
步骤S304，通过所述第一压缩加载枪产生第一压缩应力波并传输至所述第一波导杆，通过所述第二压缩加载枪产生第二压缩应力波并传输至所述第二波导杆；
步骤S306，使所述第一压缩应力波和第二压缩应力波同时到达所述单臂弯曲试样，以实现非同轴双向同步动态加载。
下面详细描述动态非同轴双向同步压缩加载方法的过程，其具体包括：
步骤1、设置器材设备。
将压缩加载枪、压缩加载枪平台、波导杆支撑、波导杆和试样夹具，按照加载枪平台-波导杆支撑-试样夹具-波导杆支撑-加载枪平台同轴的顺序安装在实验平台上，在加载枪平台上安装加载枪，在波导杆支撑上安装波导杆，并使各波导杆在轴线方向能够自由移动，加载枪平台和波导杆支撑可以调整高度。将单臂弯曲试样夹具上用橡皮筋固定，波导杆与试样紧贴。数据采集系统中的应变片的粘贴方法采用现有技术，即在波导杆1/2长度处，沿着轴线将一对参数完全相同的应变片对称粘贴在波导杆的表面，本实施例中采用电阻值为1000欧，灵敏度系数2.0的应变片；在应变片的引脚上连接应变片引线，并将所述应变片分别通过引线接入到惠斯通半桥的两个相对桥臂中。惠斯通半桥中的另外两臂上的固定电阻均为1000欧。惠斯通半桥的供电电压为30伏直流电压。将惠斯通半桥的两个对角电压通过两根常规的单芯屏蔽信号线输入给数据采集器。
步骤2、实验参数设定。
启动实验系统控制模块，通过触摸屏设定实验参数。根据实验使用加载脉冲宽度，选择加载电路中电容器组的电容量为a mF，所述a为所需的电容幅值档位；根据实验使用加载波的幅值，输入所需的充电电压值x V，所述x为所需的电压值，且在脉冲电容器的额定电压内。所述设置可保证同一轴向得到的两列加载波波形一致，通过调整次级线圈和主线圈之间的空间距离Δt，调节两列应力波的幅值比：Δt越大，应力波的幅值越小，可调范围为0≤Δt≤20mm。
步骤3、脉冲电容器组充电。
参数设定完毕后，启动控制模块的充电选项，主电路充放电模块工作，对脉冲电容器组进行充电。达到设定充电电压后自动停止充电，脉冲电容器组的充电电压不再升高。
步骤4、电容器组放电加载。
电容器充电完成后，启动放电开关使电容器组对各加载枪的主线圈放电。放电电流流经加载枪的主线圈时，次级线圈与主线圈之间由于电磁感应而产生极强的电磁斥力。由于电容器组放电时间比较短，放电电流强，该瞬间产生电磁斥力在应力放大器的输入端形成一个历时短、幅值大的入射应力波。两列应力波由波导杆远端同时向单臂弯曲试样传播，由于两波导杆的长度和材料相同，所以两列波形相同、幅值不同的压缩波同时到达单臂弯曲试样，对试样进行弯曲加载。通过合理调整两杆中应力波的幅值即可得到不同复合度的动态I/II型层间断裂。定义入射应力波的幅值比为λ，λ的范围可调，一般情况下为0.1＜λ＜∞。
步骤5、数据采集和处理。
波导杆上的应变片分别可以将两根杆上的应变变化转换成为电阻变化，进而转换为惠斯通半桥的两个桥臂输出电压变化，所述电压变化通过两根常规的屏蔽信号线输入到数据采集器中。根据惠斯通电桥公式，可以推算出波导杆应变信号。根据一维应力波理论，可通过波导杆上测到的完整入射波和反射波信号，计算两个加载点的载荷和加载位移。
在实验加载过程中，两个加载枪同时发射应力波，由于波导杆的长度和材料相同，加载的应力波可以同时到达单臂弯曲试样，试样可分别采用三点弯夹具或四点弯夹具进行支撑。两加载杆同时对单臂弯曲试样进行非同轴、同步加载，且两加载杆的加载位移/速度可调以实现不同的断裂复合度。
本申请的方法的操作步骤与装置的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种非同轴双向同步压缩加载装置，其特征在于，包括：
第一可调高度加载平台和第二可调高度加载平台，所述第一可调高度加载平台上设置有第一压缩加载枪和第一波导杆，所述第二可调高度加载平台上设置有第二压缩加载枪和第二波导杆，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置有单臂弯曲试样；
其中，所述第一压缩加载枪产生第一压缩应力波并传输至所述第一波导杆，所述第二压缩加载枪产生第二压缩应力波并传输至所述第二波导杆，所述第一压缩应力波和第二压缩应力波同时到达所述单臂弯曲试样，以实现非同轴双向同步动态加载；
其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的高度不同。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间具有高度差，所述高度差小于100毫米。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：控制模块，所述控制模块用于控制所述第一压缩加载枪和所述第二压缩加载枪同时产生压缩应力波。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：试样夹具，所述试样夹具用于加持和固定所述单臂弯曲试样，其中所述试样夹具包括三点弯曲加载夹具或四点弯曲加载夹具。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一波导杆和所述第二波导杆的长度和材料相同。
6.一种非同轴双向同步压缩加载方法，其特征在于，包括：
提供第一可调高度加载平台和第二可调高度加载平台，在所述第一可调高度加载平台上设置第一压缩加载枪和第一波导杆，在所述第二可调高度加载平台上设置第二压缩加载枪和第二波导杆；其中，所述第一波导杆和所述第二波导杆的高度不同，并且所述第一波导杆和所述第二波导杆之间设置有单臂弯曲试样；
通过所述第一压缩加载枪产生第一压缩应力波并传输至所述第一波导杆，通过所述第二压缩加载枪产生第二压缩应力波并传输至所述第二波导杆；
使所述第一压缩应力波和第二压缩应力波同时到达所述单臂弯曲试样，以实现非同轴双向同步动态加载。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一波导杆和所述第二波导杆之间具有高度差，所述高度差小于100毫米。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
控制所述第一压缩加载枪和所述第二压缩加载枪同时产生压缩应力波。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
提供试样夹具，所述试样夹具用于加持和固定所述单臂弯曲试样，其中所述试样夹具包括三点弯曲加载夹具或四点弯曲加载夹具。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一波导杆和所述第二波导杆的长度和材料相同。
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