CN114131962B - 复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置及方法，其中：包括高温炉、顶出试样固定结构、顶出强度加载结构以及基于声发射的损伤检测结构，其中，顶出试样固定结构包括加载顶杆和可更换顶针，出试样固定结构包括固定夹具和固定夹具上盖板，固定夹具和固定夹具上盖板中部均开设有上下贯通的测试窗口，顶出强度加载结构包括夹持环和高温波导杆，夹持环夹持固定在位于高温炉外的加载顶杆的上部，高温波导杆和加载顶杆上均设置有冷却装置，冷却装置用于对高温波导杆和加载顶杆冷却。本发明解决了高温环境下复合材料销钉连接结构顶出强度和对试样的损伤难以同时检测的问题，保证了试验数据的准确性、提高了试验的可靠性、降低了试验成本。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料力学测试领域，尤其涉及复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置与方法。
背景技术
复合材料销钉连接结构具有结构简单、连接强度高和可靠性高的优点，是制备复合材料复杂构件的一种重要连接技术，在航空航天领域中得到了广泛的应用。复合材料销钉连接结构在使用过程中承受复杂应力，极易成为最薄弱的区域，在高温环境下工作的陶瓷基复合材料销钉连接结构，该情况尤为突出。因此，复合材料销钉连接结构在常温和高温环境下力学性能测试结果的准确性与复合材料连接结构设计与应用的可靠性直接相关。
目前，复合材料销钉连接结构力学性能测试内容主要包括：销钉连接结构的剪切静强度、剪切疲劳强度、顶出强度和销钉顶出疲劳强度等。在现有测试方法中，静强度和疲劳强度试验可以通过粘贴加强片保持试样对中，配合试验机器的楔形夹块或燕尾形夹块进行装夹，直接在液压试验机或电子万能试验机上开展。而复合材料销钉连接结构的顶出强度测试由于试样结构的特殊性、加载方式和夹持方式与剪切静强度和疲劳强度不同，不能直接在电子万能试验机上进行装夹加载。此外由于销钉尺寸较小，对试样的对中精确度提出了较高要求，在公开发表的相关资料中鲜有关于复合材料销钉连接结构顶出强度测试装置和试验方法的报道。有研究人员对复合材料销钉进行了顶出强度试验，但其试验装置通过手工目测进行对中，存在较大的视觉误差，并且仅适用于常温下的顶出强度测量。
为了解决上述问题，有必要提供一种可以在高温环境下开展复合材料销钉连接结构顶出强度测量的装置，同时在试验过程中对试样的损伤进行检测，以实现对复合材料销钉连接结构顶出强度的准确测量和分析，为复合材料连接结构的设计和制造提供理论依据。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置与方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置，其中：包括高温炉、顶出试样固定结构、顶出强度加载结构以及基于声发射的损伤检测结构，其中，顶出试样固定结构包括加载顶杆和可更换顶针，加载顶杆上端固定在电拉伸试验机器上，下端与可更换顶针相连，试样固定结构包括固定夹具和固定夹具上盖板，固定夹具和固定夹具上盖板中部均开设有上下贯通的测试窗口，销钉连接顶出试样为含有销钉连接的一片状陶瓷基复合材料结构，销钉连接顶出试样四边被固定夹具和固定夹具上盖板以盖合的方式压紧固定，销钉连接顶出试样中部位于测试窗口中，固定夹具和固定夹具上盖板均位于高温炉中，加载顶杆下端穿入高温炉中，可更换顶针竖直正对着测试窗口中心，顶出强度加载结构包括夹持环和高温波导杆，夹持环夹持固定在位于高温炉外的加载顶杆的上部，高温波导杆一端与夹持环连接，另一端与声波收发装置对接，高温波导杆和加载顶杆上均设置有冷却装置，冷却装置用于对高温波导杆和加载顶杆冷却，使高温无法传递至电拉伸试验机器和声波收发装置。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的冷却装置包括水冷夹块，水冷夹块夹持在高温波导杆和加载顶杆上，水冷夹块上开设有水冷通道，外部的冷却水能从水冷通道流过，从而与水冷夹块换热。
上述的测量装置还包括夹具底座，夹具底座上设置有滑轨，高温炉能在夹具底座上滑动或固定，固定夹具能固定在夹具底座上。
上述的测量装置还包括辅助定位结构，辅助定位结构包括对称设置的第一辅助对中块和第二辅助对中块，第一辅助对中块和第二辅助对中块能合抱在加载顶杆上，第一辅助对中块和第二辅助对中块合抱时能正好对接在一起，且横截面外轮廓与测试窗口轮廓相适应。
上述的高温炉由左右两个对称的炉半体对接固定而成，高温炉上设置有加热棒和热电偶，两个炉半体对接后，能形成密封的加热空间，加热棒能对该加热空间加热，热电偶接触在销钉连接顶出试样上，测量销钉连接顶出试样的温度。
上述的固定夹具上表面设置有凹槽，固定夹具上盖板在相应位置处设置有凸台，凸台能卡入凹槽中，使固定夹具与固定夹具上盖板卡合。
上述的固定夹具和固定夹具上盖板的四角均设置有固定孔，螺钉能穿入相应的固定孔使固定夹具和固定夹具上盖板相互固定。
上述的固定夹具和可更换顶针均为陶瓷材料制作。
复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、将可更换顶针嵌入加载顶杆下端，再将加载顶杆连接到电子万能试验机上，保证加载顶杆的垂直加载；
步骤2、将销钉连接顶出试样放在固定夹具上，使固定夹具上盖板下端面盖合在固定夹具上，销钉连接顶出试样四边被固定夹具和固定夹具上盖板压住，对固定夹具、固定夹具上盖板以及销钉连接顶出试样调整水平后，将固定夹具和固定夹具上盖板固定；
步骤3、将固定夹具安装在夹具底座上，移动夹具底座，使顶出试样固定结构置于加载顶杆下方；
步骤4、第一辅助对中块抱在加载顶杆一侧；
步骤5、第二辅助对中块抱在加载顶杆另一侧，形成第一辅助对中块与第二辅助对中块的对接，调整夹具底座，控制电子万能试验机下移，使第一辅助对中块与第二辅助对中块嵌入测试窗口内，完成加载顶杆对销钉连接顶出试样的对中；
步骤6、固定夹具底座，上移电子万能试验机将第一辅助对中块和第二辅助对中块取出；
步骤7、两个炉半体通过夹具底座的导轨将顶出试样固定结构以及加载顶杆下半部合围，将热电偶与销钉连接顶出试样接触，然后沿导轨闭合炉半体，形成高温炉；
步骤8、将高温波导杆通过夹持环夹持固定在位于高温炉外的加载顶杆的上部，将水冷夹块固定在高温波导杆中部，声发射传感器通过耦合剂安装在高温波导杆端部，
步骤9、打开水冷设备，检查水冷设备和声发射软硬件，保证声发射设备正常采集数据；
步骤10、控制高温炉升温至1200℃，升温结束后待温度稳定，开启电子万能试验机控制系统，控制加载顶杆下移，使可更换顶针对测试窗口内的销钉连接顶出试样加压，声发射软件采集系统采集销钉连接顶出试样发出的经高温波导杆、加载顶杆和可更换顶针传导至传感器的声波，开始试验；
步骤11、等到载荷发生突降至低于最大载荷的10%时，即可认为达到失效条件，停止电子万能试验机、声发射采集装置和加热装置，同时保证水冷设备持续工作；
步骤12、待高温炉内部温度冷却至室温，打开高温炉，控制电子万能试验机使加载顶杆上移，拆卸固定夹具、固定夹具上盖板，取下销钉连接顶出试样；
步骤13、处理试验数据，绘制载荷时间曲线图、声发射事件的能量散点图和累积能量曲线图，即可得到陶瓷基复合材料销钉连接结构顶出强度和损伤特征。
本发明的有益效果在于：
1)本发明解决了高温环境下复合材料销钉连接结构顶出强度和对试样的损伤难以同时检测的问题，可以实现不低于1200℃高温环境下的销钉连接结构的顶出测试，并且可更换的顶针保证了试验数据的准确性、提高了试验的可靠性、降低了试验成本；
2)使用了陶瓷顶针和陶瓷夹具，保证在高温环境下夹具和顶针不易变形，减小测试装置因高温变形和损伤的造成的试验误差。
3)本发明中设计并使用了辅助对中装置，通过第一、第二辅助对中块与固定夹具上盖板和顶出工具的配合便可以方便的实现销钉与顶针精确快速的对中，确保了试验结果的准确性；
4)本发明中设计并使用了高温波导杆及其水冷夹块，可在高温环境下对试样损伤进行检测，保护了声发射传感器，确保数据采集的准确性，降低了试验成本。
5)本发明中设计的复合材料销钉连接结构高温顶出强度和损伤测量装置，可以在常规的电子万能试验机或液压试验机开展试验，可以进行不低于1200℃高温试验和常温试验，设备搭建成本低、可靠性高、通用性强，便于开展试验。
附图说明
图 1为销钉连接件顶出试样的结构示意图；
图 2为本发明的第一辅助对中块的结构示意图；
图 3为本发明的第二辅助对中块结构示意图；
图 4为本发明的高温波导杆结构示意图；
图 5为本发明在使用辅助对中装置时的示意图；
图 6为本发明的复合材料销钉连接结构高温顶出强度及损伤测量装置示意图；
图 7为本发明试验准备完毕示意图；
图中：1-销钉连接顶出试样、2-第一辅助对中块、3-第二辅助对中块、4-高温波导杆、5-水冷夹块、6-加载顶杆、7-高温炉箱体、8-夹持环、9-加热棒、10-水冷通道、11-夹具底座、12-固定夹具、13-固定夹具上盖板、14-可更换顶针。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例的复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置，其中：包括高温炉7、顶出试样固定结构、顶出强度加载结构以及基于声发射的损伤检测结构，其中，顶出试样固定结构包括加载顶杆6和可更换顶针14，加载顶杆6上端固定在电拉伸试验机器上，下端与可更换顶针14相连，出试样固定结构包括固定夹具12和固定夹具上盖板13，固定夹具12和固定夹具上盖板13中部均开设有上下贯通的测试窗口，销钉连接顶出试样1为一片状陶瓷基复合材料结构，销钉连接顶出试样1四边被固定夹具12和固定夹具上盖板13以盖合的方式压紧固定，销钉连接顶出试样1中部位于测试窗口中，固定夹具12和固定夹具上盖板13均位于高温炉7中，加载顶杆6下端穿入高温炉7中，可更换顶针14竖直正对着测试窗口中心，顶出强度加载结构包括夹持环8和高温波导杆4，夹持环8夹持固定在位于高温炉7外的加载顶杆6的上部，高温波导杆4一端与夹持环8连接，另一端与声波收发装置对接，高温波导杆4和加载顶杆6上均设置有冷却装置，冷却装置用于对高温波导杆4和加载顶杆6冷却，使高温无法传递至电拉伸试验机器和声波收发装置。实施例中，冷却装置包括水冷夹块5，水冷夹块5夹持在高温波导杆4和加载顶杆6上，水冷夹块5上开设有水冷通道10，外部的冷却水能从水冷通道10流过，从而与水冷夹块5换热。
实施例中，测量装置还包括夹具底座11，夹具底座11上设置有滑轨，高温炉7能在夹具底座11上滑动或固定，固定夹具12能固定在夹具底座11上。
实施例中，测量装置还包括辅助定位结构，辅助定位结构包括对称设置的第一辅助对中块2和第二辅助对中块3，第一辅助对中块2和第二辅助对中块3能合抱在加载顶杆6上，第一辅助对中块2和第二辅助对中块3合抱时能正好对接在一起，且横截面外轮廓与测试窗口轮廓相适应。
实施例中，高温炉7由左右两个对称的炉半体对接固定而成，高温炉7上设置有加热棒9和热电偶，两个炉半体对接后，能形成密封的加热空间，加热棒9能对该加热空间加热，热电偶接触在销钉连接顶出试样1上，测量销钉连接顶出试样1的温度。
实施例中，固定夹具12上表面设置有凹槽，固定夹具上盖板13在相应位置处设置有凸台，凸台能卡入凹槽中，使固定夹具12与固定夹具上盖板13卡合。
实施例中，固定夹具12和固定夹具上盖板13的四角均设置有固定孔，螺钉能穿入相应的固定孔使固定夹具12和固定夹具上盖板13相互固定。
实施例中，固定夹具12和可更换顶针14均为陶瓷材料制作。
复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、将可更换顶针14嵌入加载顶杆6下端，再将加载顶杆6连接到电子万能试验机上，保证加载顶杆6的垂直加载；
步骤2、将销钉连接顶出试样1放在固定夹具12上，使固定夹具上盖板13下端面盖合在固定夹具12上，销钉连接顶出试样1四边被固定夹具12和固定夹具上盖板13压住，对固定夹具12、固定夹具上盖板13以及销钉连接顶出试样1调整水平后，将固定夹具12和固定夹具上盖板13固定；
步骤3、将固定夹具12安装在夹具底座11上，移动夹具底座11，使顶出试样固定结构置于加载顶杆6下方；
步骤4、第一辅助对中块2抱在加载顶杆6一侧；
步骤5、第二辅助对中块3抱在加载顶杆6另一侧，形成第一辅助对中块2与第二辅助对中块3的对接，调整夹具底座11，控制电子万能试验机下移，使第一辅助对中块2与第二辅助对中块3嵌入测试窗口内，完成加载顶杆6对销钉连接顶出试样1的对中；
步骤6、固定夹具底座11，上移电子万能试验机将第一辅助对中块2和第二辅助对中块3取出；
步骤7、两个炉半体通过夹具底座11的导轨将顶出试样固定结构以及加载顶杆6下半部合围，将热电偶与销钉连接顶出试样1接触，然后沿导轨闭合炉半体，形成高温炉7；
步骤8、将高温波导杆4通过夹持环8夹持固定在位于高温炉7外的加载顶杆6的上部，将水冷夹块5固定在高温波导杆4中部，声发射传感器通过耦合剂安装在高温波导杆4端部，
步骤9、打开水冷设备，检查水冷设备和声发射软硬件，保证声发射设备正常采集数据；
步骤10、控制高温炉7升温至1200℃，升温结束后待温度稳定，开启电子万能试验机控制系统控制加载顶杆6下移，使可更换顶针14对测试窗口内的销钉连接顶出试样1加压，声发射软件采集系统销钉连接顶出试样1发出的声波，声波经高温波导杆4、加载顶杆6和可更换顶针14传导至声发射传感器，开始试验；
步骤11、等到载荷发生突降至低于最大载荷的10%时，即可认为达到失效条件，停止电子万能试验机、声发射采集装置和加热装置，同时保证水冷设备持续工作；
步骤12、待高温炉7内部温度冷却至室温，打开高温炉7，控制电子万能试验机使加载顶杆6上移，拆卸固定夹具12、固定夹具上盖板13，取下销钉连接顶出试样1；
步骤13、处理试验数据，绘制载荷时间曲线图、声发射事件的能量散点图和累积能量曲线图，即可得到陶瓷基复合材料销钉连接结构顶出强度和损伤特征。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量方法，应用复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置，其特征是：复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置包括高温炉(7)、顶出试样固定结构、顶出强度加载结构以及基于声发射的损伤检测结构，其中，顶出试样固定结构包括加载顶杆(6)和可更换顶针(14)，所述的加载顶杆(6)上端固定在电拉伸试验机器上，下端与可更换顶针(14)相连，所述的出试样固定结构包括固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)，所述的固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)中部均开设有上下贯通的测试窗口，销钉连接顶出试样(1)为含有销钉连接的一片状陶瓷基复合材料结构，销钉连接顶出试样(1)四边被固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)以盖合的方式压紧固定，销钉连接顶出试样(1)中部位于测试窗口中，所述的固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)均位于高温炉(7)中，所述的加载顶杆(6)下端穿入高温炉(7)中，可更换顶针(14)竖直正对着测试窗口中心，顶出强度加载结构包括夹持环(8)和高温波导杆(4)，所述的夹持环(8)夹持固定在位于高温炉(7)外的加载顶杆(6)的上部，高温波导杆(4)一端与夹持环(8)连接，另一端与声波收发装置对接，所述的高温波导杆(4)和加载顶杆(6)上均设置有冷却装置，冷却装置用于对高温波导杆(4)和加载顶杆(6)冷却，使高温无法传递至电拉伸试验机器和声波收发装置；所述的高温炉(7)由左右两个对称的炉半体对接固定而成，高温炉(7)上设置有加热棒(9)和热电偶，两个炉半体对接后，能形成密封的加热空间，加热棒(9)能对该加热空间加热，所述的热电偶接触在销钉连接顶出试样(1)上，测量销钉连接顶出试样(1)的温度；复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量装置的具体使用方法包括以下步骤：
步骤1、将可更换顶针(14)嵌入加载顶杆(6)下端，再将加载顶杆(6)连接到电子万能试验机上，保证加载顶杆(6)的垂直加载；
步骤2、将销钉连接顶出试样(1)放在固定夹具(12)上，使固定夹具上盖板(13)下端面盖合在固定夹具(12)上，销钉连接顶出试样(1)四边被固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)压住，对固定夹具(12)、固定夹具上盖板(13)以及销钉连接顶出试样(1)调整水平后，将固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)固定；
步骤3、将固定夹具(12)安装在夹具底座(11)上，移动夹具底座(11)，使顶出试样固定结构置于加载顶杆(6)下方；
步骤4、第一辅助对中块(2)抱在加载顶杆(6)一侧；
步骤5、第二辅助对中块(3)抱在加载顶杆(6)另一侧，形成第一辅助对中块(2)与第二辅助对中块(3)的对接，调整夹具底座(11)，控制电子万能试验机下移，使第一辅助对中块(2)与第二辅助对中块(3)嵌入测试窗口内，完成加载顶杆(6)对销钉连接顶出试样(1)的对中；
步骤6、固定夹具底座(11)，上移电子万能试验机将第一辅助对中块(2)和第二辅助对中块(3)取出；
步骤7、两个炉半体通过夹具底座(11)的导轨将顶出试样固定结构以及加载顶杆(6)下半部合围，将热电偶与销钉连接顶出试样(1)接触，然后沿导轨闭合炉半体，形成高温炉(7)；
步骤8、将高温波导杆(4)通过夹持环(8)夹持固定在位于高温炉(7)外的加载顶杆(6)的上部，将水冷夹块(5)固定在高温波导杆(4)中部，声发射传感器通过耦合剂安装在高温波导杆(4)端部，
步骤9、打开水冷设备，检查水冷设备和声发射软硬件，保证声发射设备正常采集数据；
步骤10、控制高温炉(7)升温至1200℃，升温结束后待温度稳定，开启电子万能试验机控制系统控制加载顶杆(6)下移，使可更换顶针(14)对测试窗口内的销钉连接顶出试样(1)加压，声发射软件采集系统采集销钉连接顶出试样发出的经高温波导杆(4)、加载顶杆(6)和可更换顶针(14)传导至传感器的声波，开始试验；
步骤11、等到载荷发生突降至低于最大载荷的10%时，即可认为达到失效条件，停止电子万能试验机、声发射采集装置和加热装置，同时保证水冷设备持续工作；
步骤12、待高温炉(7)内部温度冷却至室温，打开高温炉(7)，控制电子万能试验机使加载顶杆(6)上移，拆卸固定夹具(12)、固定夹具上盖板(13)，取下销钉连接顶出试样(1)；
步骤13、处理试验数据，绘制载荷时间曲线图、声发射事件的能量散点图和累积能量曲线图，即可得到陶瓷基复合材料销钉连接结构顶出强度和损伤特征。
2.根据权利要求1所述的复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量方法，其特征是：所述的冷却装置包括水冷夹块(5)，水冷夹块(5)夹持在高温波导杆(4)和加载顶杆(6)上，所述的水冷夹块(5)上开设有水冷通道(10)，外部的冷却水能从水冷通道(10)流过，从而与水冷夹块(5)换热。
3.根据权利要求2所述的复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量方法，其特征是：测量装置还包括夹具底座(11)，所述的夹具底座(11)上设置有滑轨，所述的高温炉(7)能在夹具底座(11)上滑动或固定，所述的固定夹具(12)能固定在夹具底座(11)上。
4.根据权利要求3所述的复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量方法，其特征是：测量装置还包括辅助定位结构，所述的辅助定位结构包括对称设置的第一辅助对中块(2)和第二辅助对中块(3)，所述的第一辅助对中块(2)和第二辅助对中块(3)能合抱在加载顶杆(6)上，第一辅助对中块(2)和第二辅助对中块(3)合抱时能正好对接在一起，且横截面外轮廓与测试窗口轮廓相适应。
5.根据权利要求4所述的复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量方法，其特征是：所述的固定夹具(12)上表面设置有凹槽，固定夹具上盖板(13)在相应位置处设置有凸台，凸台能卡入凹槽中，使固定夹具(12)与固定夹具上盖板(13)卡合。
6.根据权利要求5所述的复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量方法，其特征是：所述的固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)的四角均设置有固定孔，螺钉能穿入相应的固定孔使固定夹具(12)和固定夹具上盖板(13)相互固定。
7.根据权利要求6所述的复合材料销钉结构高温顶出强度及损伤测量方法，其特征是：固定夹具(12)和可更换顶针(14)均为陶瓷材料制作。
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