CN114965099A - 一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纤维增强复合材料力学性能测试技术领域，具体是一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法，包括底座，所述底座上设置有安装试样的支撑座、用于撞击试样的加载杆、用于撞击加载杆的撞击杆以及用于发射撞击杆的压气枪，所述加载杆、撞击杆和压气枪同轴设置，所述支撑座的外侧设有温度环境箱，所述温度环境箱上开设有供加载杆前端伸入并撞击试样的通道；本发明可以开展不同温度和冲击加载条件下的纤维增强复合材料层间剪切强度测试，弥补了现有技术未能考虑温度和冲击载荷耦合作用、试验测试技术严重匮乏的不足，标准化程度高、使用范围广。

Description

一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料力学性能测试技术领域，具体是一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法。
背景技术
纤维增强复合材料因具有高比强度、高比模量、抗疲劳性能好和结构设计灵活等优点，已在航空航天、汽车交通、国防军工等多个领域得到应用。特别是随着氢能储运技术的发展，作为复合材料储氢气瓶的重要材料之一，纤维增强复合材料在极端温度和动态冲击载荷作用下的力学性能引起了人们广泛关注。
目前，纤维增强复合材料层间剪切强度的测试方法主要有短梁法、双切口法、Iosipescu法等，测试工作主要集中在室温和准静态试验条件下，由于缺少不同温度和冲击加载速率条件下的动态层间剪切强度测试系统，纤维增强复合材料在该性能方面的数据严重匮乏。上述情况为纤维增强复合材料结构在不同温度和冲击载荷作用下的结构强度设计和安全性能评估带来了困难，因此亟待解决。
发明内容
为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，可以开展不同温度和冲击加载条件下的纤维增强复合材料层间剪切强度测试，弥补了现有技术未能考虑温度和冲击载荷耦合作用、试验测试技术严重匮乏的不足，标准化程度高、使用范围广。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，包括底座，所述底座上设置有安装试样的支撑座、用于撞击试样的加载杆、用于撞击加载杆的撞击杆以及用于发射撞击杆的压气枪，所述加载杆、撞击杆和压气枪同轴设置，所述支撑座的外侧设有温度环境箱，所述温度环境箱上开设有供加载杆前端伸入并撞击试样的通道。
作为本发明进一步的方案：所述支撑座包括支撑块和垫块，所述支撑块的前端开设有连接槽，所述垫块滑动连接在连接槽内，两个垫块沿连接槽槽长方向做相向或相离动作，所述支撑块的尾端连接有与加载杆同轴设置且延伸出保温环境箱的支撑杆，所述支撑杆的伸出端连接在设置在底座上的限位块上。
作为本发明再进一步的方案：所述连接槽为槽长方向沿支撑块宽度方向设置的T型槽结构，所述垫块上设置有与连接槽滑动配合的T型块；
所述支撑块的上表面上盖合有盖板，位于垫块上方的盖板上开设有孔型长度方向沿连接槽槽长方向设置的矩形孔，所述垫块的上表面上开设有定位螺孔，定位螺栓沿竖直方向穿过矩形孔并与定位螺孔螺纹配合。
作为本发明再进一步的方案：所述底座上设置有挡板，所述挡板上开设有与加载杆同轴设置的导向孔，所述加载杆沿轴向滑动连接在导向孔内，所述加载杆位于导向孔两侧的杆身上设置有扣环，所述加载杆的撞击试样端的杆身上设置有应变片。
作为本发明再进一步的方案：所述支撑块的前端中部位置开设有供加载杆前端伸入的凹槽，所述支撑块的尾端开设有与加载杆同轴线的套接螺孔，所述支撑杆的前端与套接螺孔螺纹连接。
一种纤维增强复合材料层间剪切强度的测试方法，包括以下步骤：
S1，在试验前应根据具体要求准备试验器材，测量撞击杆、加载杆的尺寸大小以及试样尺寸大小；
S2，粘贴应变片，在加载杆上合适位置粘贴应变片并将应变片与应变采集系统连接；
S3，试验中冲击加载应力波形的设定：装置组装完成后，将撞击杆置于压气枪内；调节压气枪的气压使撞击杆可以达到预定冲击速度，并在加载杆上与撞击杆相邻的一端粘贴波形整形器，以得到相应的冲击加载应力波形；
S4，根据试样尺寸，确定垫块的位置并调节跨距；
S5，将撞击杆、加载杆、温度环境箱及支撑座等各部件依次组装完备，完成测试装置的组装；
S6，将试样置于支撑座之上，并放置于温度环境箱内中间位置，紧闭温度环境箱；
S7，设置温度环境箱温度，使其内部达到试样所需的温度，并保温一定时间；
S8，按照设定的冲击加载应力波形进行冲击试验，对试样进行冲击加载；通过粘贴的应变片测得加载杆上的应变信号，即入射波εi(t)时程曲线和反射波εr(t)时程曲线；
S9，获取并整理试验数据；
S10，建立复合材料在不同温度及加载速度下的有限元分析模型，并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证，确定试验结果的有效性；
S11，根据步骤S10中获得有限元仿真结果，获得加载杆中部的仿真应力波形σ1(t)，将仿真应力波形σ1(t)与试验冲击加载应力波形σ2(t)进行比较；若二者一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S10，调整有限元仿真模型重新计算；
S12，根据步骤S10分析结果，获得垫块处支反力F1(t)时程曲线，以及加载杆与试样的接触力F2(t)时程曲线；若二者对比一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S3，重新设定冲击加载应力波形进行试验；
S13，根据步骤S8中得到的加载杆上的应变信号并得到冲击荷载F(t)时程曲线，取其中最大荷载Fmax，然后根据层间剪切强度理论公式计算得出该材料在该温度及加载速度下的动态层间剪切强度τM；
F(t)＝AE[εi(t)+εr(t)]
其中A为加载杆横截面积；E为加载杆弹性模量。
Figure BDA0003649679050000041
其中b为试样宽度；h为试样厚度。
作为本发明再进一步的方案：所述S1的具体步骤如下：
S101，加载杆采用直径14.5mm，长度为2000mm的钢制圆杆；撞击杆采用直径14.5mm，长度为300mm的钢制圆杆；加载杆端采用楔角为60度的楔形头；试样采用长25mm，宽10mm，厚6.35mm的纤维增强环氧树脂复合材料试样。
作为本发明再进一步的方案：所述S10的具体步骤如下：
S1001，在ABAQUS/CAE中分别建立加载杆、简化支撑座、试样的几何模型；
S1002，设置材料属性：在ABAQUS/CAE的材料属性赋予模块中，赋予纤维增强复合材料考虑温度影响的弹性本构参数：E11、E22、E33、G12、G13、G23、v12、v13、v23；E11、E22、E33分别为纤维增强复合材料在不同方向上的弹性模量；G12、G13、G23分别为纤维增强复合材料在不同方向上的剪切模量；v12、v13、v23分别为纤维增强复合材料在不同方向上的泊松比；方向1为纤维增强复合材料的一纤维轴向，方向2表示纤维增强复合材料面内垂直于方向1的方向，方向3表示纤维增强复合材料的厚度方向；其中弹性模量Eii，下标i表示在方向i上的弹性模量；剪切模量Gij、泊松比vij中，下标i表示剪切模量、泊松比在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示剪切模量、泊松比方向与方向j平行；
在ABAQUS/CAE的材料属性赋予模块中，赋予加载杆和支撑座弹性本构材料参数：弹性模量E和泊松比v；
S1003，划分网格单元：加载杆、试样及支撑座均采用C3D8R缩减积分实体单元划分网格；
S1004，施加边界条件：确定该模型的约束部位并施加边界条件；
S1005，定义接触：在试样和加载杆之间以及试样与支撑座之间设置通用接触算法；
S1006，设置分析步：在加载杆一端施加试验时的冲击加载应力波形，进行有限元分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的测试系统可以开展不同温度和冲击加载条件下的纤维增强复合材料层间剪切强度测试，弥补了现有技术未能考虑温度和冲击载荷耦合作用、试验测试技术严重匮乏的不足，具有标准化程度高、使用范围广等优点。
2、本发明支撑座中的主要部件，如支撑块、垫块、盖板等采用分体式设计，通过螺栓进行可拆卸连接，并且测试系统中试样所需跨距、加载杆允许移动范围等可根据不同试验测试需求进行灵活调节。整个测试系统结构设计灵活、组装方便，各部分均可拆卸，任何部位损坏均可直接替换，省去了更换整个装置的成本及时间，便于试验操作和保养维护。
3、本发明的主要部分在于支撑座。该装置体积小巧，方便置于温度环境箱内，可实现不同温度条件下的层间剪切强度测试。并且垫块上T型块的设置可以灵活地调节跨距的大小，以满足不同尺寸试样的试验跨距要求，扩大了本发明测试系统的适用范围。此外，两个垫块分别置于支撑块两侧，呈左右镜像布置，对试样起支撑作用，可进一步加大垫块跨距的调节范围，如试验所需跨距较小，可以将凸起置于内侧；若所需跨距较大则反之。
4、本发明中支撑块上盖板的设置是为了保证垫块与支撑块的相对稳定。由于垫块上的T型块是直接置入支撑块的连接槽中，试验过程中加载杆上的冲击载荷作用于试样时，试样变形会对垫块产生横向作用力，使垫块产生横向滑移，从而影响试验结果的准确性。盖板上设置的螺孔和矩形孔，方便固定支撑块与垫块，使垫块紧固于支撑块上，保证整个支撑座在试验过程中的稳定性。
5、本发明中扣环的设置可以有效约束加载杆的移动范围，保证试验的安全性。扣环安装于加载杆上，当加载杆位移较大时，扣环会与挡板接触，从而阻挡加载杆运动，并且可以保证加载杆只会对试样产生冲击加载而不会撞击到支撑座发生损坏。本发明中扣环在挡板前后布置了两个，一方面可以防止上述提到的与支撑座的撞击，另一方面可以有效防止加载杆冲击试样后出现反弹对压气枪造成损坏。
6、本发明中的挡板设置于底座之上，可根据具体试验要求对挡板的位置进行调节，并通过挡板下部设置的螺纹孔与导轨进行固定，挡板上部设置的通孔可保证加载杆的顺利移动。挡板的设置并结合扣环的使用，可以灵活地调节加载杆允许的移动范围，吸收试验过程中加载杆上的多余冲击能量，避免设备损坏，保障试验安全。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为本发明支撑座结构示意图；
图3为本发明支撑块的透视结构示意图；
图4为本发明挡板的结构示意图；
图5为本发明的测试方法的流程图；
图6为本发明的冲击加载应力波形图；
图7为本发明加载杆杆中所测的应变信号图；
图8为本发明实施例中的有限元分析模型；
图9为本发明仿真应力波形与试验冲击加载应力波形对比图；
图10为本发明加载杆与试样的接触力和支撑座垫块支反力的仿真结果对比图；
图11为本发明冲击荷载F(t)时程曲线图；
图12为本发明的方向示意图。
1-压气枪2-撞击杆3-加载杆4-扣环5-挡板6-底座7-温度环境箱8-支撑座9-试样10-支撑杆11-限位块12-应变片13-波形整形器51-导向孔81-盖板81a-矩形孔82-支撑块82a-套接螺孔82b-连接槽82c-凹槽83-垫块83a-T型块83b-定位螺孔
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～12，本发明实施例中，一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，本发明的具体结构可参照图1所示，包括底座6，底座6上依次布置有压气枪1、撞击杆2、加载杆3、加载杆上的扣环4、挡板5、温度环境箱7、置于温度环境箱7内的支撑座8，安装在支撑座8上的试样9以及支撑杆10和限位块11。撞击杆2、加载杆3与支撑杆10三杆同轴，支撑杆10与加载杆3、环境箱7上两侧的通孔同轴，用于保证试验的测试精度。挡板5对固定于加载杆上的扣环4起限位作用，通过阻挡扣环4来约束加载杆3出现过大的位移。支撑座8用于放置试样9。除此之外，还具有包括在加载杆3上与撞击杆2相邻的一端粘贴的波形整形器13，以及贴在加载杆3上的应变片12在内的信号采集处理装置，试验时通过应变片采集试验中的实时数据并通过软件采集处理得到最终结果。
实际试验时，压气枪1使撞击杆2产生瞬间冲击力，撞击杆2加速后撞击加载杆3，在加载杆3内部产生压缩波并向前传播。该波信号由贴在加载杆3上的应变片12采集，此为入射波信号。加载杆3对温度环境箱7内部位于支撑座8上的试样9进行动态加载，使试样产生层间剪切失效。加载杆3对试样9进行加载作用时会在加载杆3内部产生拉伸波，该波向压气枪1方向传播进而被应变片12采集，此为反射波信号。如果撞击杆2对加载杆3的冲击力较小时，加载杆3在反射波作用下会发生向压气枪1方向的移动。由于扣环4的存在阻挡了加载杆3的过大位移，加载杆3不会撞击到压气枪1，保证试验的安全性；如果撞击杆2对加载杆3的冲击力较大时，加载杆3会直接冲断试样9，同样由于扣环4的存在，加载杆3不会发生过大的位移撞击到支撑座8，也可以保证试验的安全性、避免设备损坏。
扣环4与挡板5具体工作时，将加载杆3与撞击杆2同轴布置，确定加载杆3前后最大安全移动距离。通过螺栓将挡板5固定于底座6之上，然后确定前后两个扣环4在加载杆3上的位置，确保加载杆3在试验时既不会撞击到支撑座8，又不会因反弹撞击到压气枪1，保证试验的安全性。
支撑座8的具体实施方式，如图1-3所示，支撑座8具体包括四个部分：盖板81、支撑块82、垫块83以及使三者固定在一起的4枚定位螺栓。支撑块82尾端中间设有套接螺孔82a，与支撑杆10外螺纹连接固定，为支撑座8提供轴向支撑定位；支撑块82前端开设有的连接槽82b可为垫块83提供可滑动的空间，垫块83上的T型块83a嵌套于连接槽8滑动连接在同为T型的连接槽82b中，测试时可根据试验跨距的要求调整两垫块83的间距，扩大该装置的适用范围。两个垫块83的最终位置确定后，通过垫块83上的定位螺孔83b与盖板81上的矩形孔81b经定位螺栓连接进行固定，对试样9两端进行支撑。
支撑座8与测试系统具体工作时，首先确定试样9的尺寸以及试验所需跨距，调整好两个垫块83的位置后拧紧定位螺栓。然后将支撑座8与支撑杆10连接固定，将支撑座8放置在温度环境箱7内靠近中部位置，保证试样达到试验所需的温度要求。撞击杆2、加载杆3、支撑杆10三杆同轴，加载杆3和支撑杆10分别通过温度环境箱7两侧的通孔伸入温度环境箱7内。加载杆3与试样9表面接触，并与温度环境箱7通孔留有足够间隙，保证加载杆3可以在温度环境箱7通孔内自由移动。支撑杆10长度的一部分置于温度环境箱7内，剩余部分伸出环境箱外与限位块11接触，通过在温度环境箱7外的支撑杆10的圆周方向转动对支撑座8的周向位置进行定位。调整好各部件的位置后，即可放置试样9，盖上环境箱7的箱盖进行试验。待试验结束后，可按次序拆卸各部件进行保养维护，留待下次使用。本发明整体结构组装与拆卸简单便捷、灵活性好，支撑座体积小巧、结构紧凑、调节方便，适合在有限空间的温度环境箱内使用，可以满足纤维增强复合材料在不同温度和冲击载荷作用下的动态层间剪切强度测试需求，市场应用前景广阔。
本实施例中采用碳纤维增强环氧树脂复合材料试样，试样9长25mm，宽10mm，厚6.35mm；压气枪1，300mm钢质撞击杆2和2000mm钢质加载杆3，另有支撑座8、支撑杆10及末端的限位块11。除此之外，还有温度环境箱7用于提供试样9所需温度条件。本实施例为了测试复合材料的层间剪切强度，现采用本发明提供的一种纤维增强复合材料在不同温度下动态层间剪切强度的测试方法进行分析，如图5所示，包括以下步骤：
S1，按照试验要求进行试验前的试验装置的具体准备工作，具体方式如下所示：
S101，在试验前应根据具体要求准备试验器材，测量撞击杆2、加载杆3及其试样9的尺寸大小。其中加载杆3采用直径14.5mm，长度为2000mm的钢制圆杆；撞击杆2采用直径14.5mm，长度为300mm的钢制圆杆；加载杆3端部采用楔角为60度的楔形头；试样9采用长25mm，宽10mm，厚6.35mm的碳纤维增强环氧树脂复合材料试样；
S2，粘贴应变片12。在加载杆3上合适位置粘贴应变片12并将应变片12与应变采集系统连接；本实施例中在加载杆3中部即距离杆端1000mm处粘贴两枚应变片12，两枚应变片呈环向对称布置；
S3，试验中冲击加载应力波形的设定。装置组装完成后，将撞击杆2置于压气枪1内。调节压气枪1的气压使撞击杆2可以达到适当的冲击速度，并在加载杆3上与撞击杆2相邻的一端粘贴波形整形器，以得到合适的冲击加载应力波形，如图6所示；
S4，根据试样尺寸，确定垫块83的位置并调节合适的跨距。本实施例中跨距设置为19mm；
S5，将撞击杆2、加载杆3、温度环境箱7及支撑座8等各部件依次组装完备，完成测试系统的组装，如图1所示；
S6，将试样置于支撑座8之上，并放置于温度环境箱7内中间位置，紧闭环境箱；
S7，设置温度环境箱7的温度，使其内部达到试样所需温度，并保温一定时间。本实施例中将温度设定为40℃，并保温30分钟。内部温度可由温度探针检测；
S8，按照设定的冲击加载应力波形进行冲击试验，对试样进行冲击加载。通过粘贴的应变片12测得加载杆上的应变信号，即入射波εi(t)时程曲线和反射波εr(t)时程曲线，如图7所示；
S9，获取并整理实验数据；
S10，建立复合材料在不同温度及加载速度下的有限元分析模型，并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证，确定该试验结果的有效性。具体方式如下：
S1001，在ABAQUS/CAE中分别建立加载杆3、简化支撑座8、碳纤维增强复合材料试样的几何模型。由于结构的对称性，本实施例仅建立1/4模型，图6为模型局部放大图；
S1002，设置材料属性：在ABAQUS/CAE的材料属性赋予模块中，赋予碳纤维增强复合材料考虑温度影响的弹性本构参数：E11、E22、E33、G12、G13、G23、v12、v13、v23；E11、E22、E33分别为纤维增强复合材料在不同方向上的弹性模量，G12、G13、G23分别为纤维增强复合材料在不同方向上的剪切模量，v12、v13、v23分别为纤维增强复合材料在不同方向上的泊松比；
由图12所示，本发明中，方向1为碳纤维复合材料的一纤维轴向，方向2表示碳纤维复合材料面内垂直于方向1的方向，方向3表示碳纤维复合材料的厚度方向；其中弹性模量Eii，下标i表示在方向i上的弹性模量；剪切模量Gij、泊松比vij中，下标i表示剪切模量、泊松比在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示剪切模量、泊松比方向与方向j平行；
本实施例中，E11＝132GPa，E22＝10.3GPa，E33＝10.3GPa；G12＝6.5GPa，G13＝6.5GPa，G23＝3.91MPa；v12＝0.25；v13＝0.25，v23＝0.38；
在ABAQUS/CAE的材料属性赋予模块中，赋予加载杆和支撑座弹性本构材料参数：弹性模量E和泊松比v；本实施例中，E＝210GPa，v＝0.3；
S1003，划分网格单元：加载杆3、碳纤维增强复合材料试样9及支撑座8均采用C3D8R缩减积分实体单元划分网格。加载杆3共有1748个节点和1125个单元。碳纤维增强复合材料共有5720个节点和4750个单元。支撑座8共有1212个节点和818个单元；
S1004，施加边界条件：确定该模型的约束部位并施加边界条件；
S1005，定义接触：在复合材料试样和加载杆3之间以及复合材料试样9与支撑座8之间设置通用接触算法，通用接触即用一个接触描述本模型中所有区域间的接触关系；
S1006，设置分析步：在加载杆3一端(与撞击杆相邻端)施加试验时的冲击加载应力波形，进行有限元分析；
S11，根据步骤S10中获得有限元仿真结果，获得加载杆中部的仿真应力波形σ1(t)，将仿真应力波形σ1(t)与试验冲击加载应力波形σ2(t)进行比较，如图7所示。若二者一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S10，调整有限元仿真模型重新计算。本实施例中，二者一致；
S12，根据步骤S10分析结果，获得支撑座垫块处支反力F1(t)时程曲线，以及加载杆与试样的接触力F2(t)时程曲线，如图10所示。若二者对比一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S3，重新设定冲击加载应力波形进行试验。
本实施例中，二者一致；
S13，根据步骤S8中得到的加载杆上的应变信号并根据公式(1)得到冲击荷载F(t)时程曲线，如图11所示。取其中最大荷载Fmax，然后根据层间剪切强度理论公式(公式2)计算得出该材料在该温度及加载速度下的动态层间剪切强度τM；
F(t)＝AE[εi(t)+εr(t)] (1)
其中A为加载杆横截面积；E为加载杆弹性模量。
Figure BDA0003649679050000121
其中b为试样宽度；h为试样厚度；
如图11所示，最大冲击荷载Fmax为1726.7N，经计算，动态层间剪切强度τM为40.8MPa。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，包括底座(6)，所述底座(6)上设置有安装试样(9)的支撑座(8)、用于撞击试样(9)的加载杆(3)、用于撞击加载杆(3)的撞击杆(2)以及用于发射撞击杆(2)的压气枪(1)，所述加载杆(3)、撞击杆(2)和压气枪(1)同轴设置，所述支撑座(8)的外侧设有温度环境箱(7)，所述温度环境箱(7)上开设有供加载杆(3)前端伸入并撞击试样(9)的通道。
2.根据权利要求1所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述支撑座(8)包括支撑块(82)和垫块(83)，所述支撑块(82)的前端开设有连接槽(82b)，所述垫块(83)滑动连接在连接槽(82b)内，两个垫块(83)沿连接槽(82b)槽长方向做相向或相离动作，所述支撑块(82)的尾端连接有与加载杆(3)同轴设置且延伸出保温环境箱的支撑杆(10)，所述支撑杆(10)的伸出端连接在设置在底座(6)上的限位块(11)上。
3.根据权利要求2所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述连接槽(82b)为槽长方向沿支撑块(82)宽度方向设置的T型槽结构，所述垫块(83)上设置有与连接槽(82b)滑动配合的T型块(83a)；
所述支撑块(82)的上表面上盖合有盖板(81)，位于垫块(83)上方的盖板(81)上开设有孔型长度方向沿连接槽(82b)槽长方向设置的矩形孔(81a)，所述垫块(83)的上表面上开设有定位螺孔(83b)，定位螺栓沿竖直方向穿过矩形孔(81a)并与定位螺孔(83b)螺纹配合。
4.根据权利要求2或3所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述底座(6)上设置有挡板(5)，所述挡板(5)上开设有与加载杆(3)同轴设置的导向孔(51)，所述加载杆(3)沿轴向滑动连接在导向孔(51)内，所述加载杆(3)位于导向孔(51)两侧的杆身上设置有扣环(4)，所述加载杆(3)的撞击试样(9)端的杆身上设置有应变片(12)。
5.根据权利要求2所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述支撑块(82)的前端中部位置开设有供加载杆(3)前端伸入的凹槽(82c)，所述支撑块(82)的尾端开设有与加载杆(3)同轴线的套接螺孔(82a)，所述支撑杆(10)的前端与套接螺孔(82a)螺纹连接。
6.一种使用权利要求1-5任一项所述装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在试验前应根据具体要求准备试验器材，测量撞击杆(2)、加载杆(3)的尺寸大小以及试样(9)尺寸大小；
S2，粘贴应变片(12)，在加载杆(3)上合适位置粘贴应变片(12)并将应变片(12)与应变采集系统连接；
S3，试验中冲击加载应力波形的设定:装置组装完成后，将撞击杆(2)置于压气枪(1)内；调节压气枪(1)的气压使撞击杆(2)可以达到预定冲击速度，并在加载杆(3)上与撞击杆(2)相邻的一端粘贴波形整形器(13)，以得到相应的冲击加载应力波形；
S4，根据试样(9)尺寸，确定垫块(83)的位置并调节跨距；
S5，将撞击杆(2)、加载杆(3)、温度环境箱(7)及支撑座(8)等各部件依次组装完备，完成测试装置的组装；
S6，将试样(9)置于支撑座(8)之上，并放置于温度环境箱(7)内中间位置，紧闭温度环境箱(7)；
S7，设置温度环境箱(7)温度，使其内部达到试样(9)所需的温度，并保温一定时间；
S8，按照设定的冲击加载应力波形进行冲击试验，对试样(9)进行冲击加载；通过粘贴的应变片(12)测得加载杆(3)上的应变信号，即入射波εi(t)时程曲线和反射波εr(t)时程曲线；
S9，获取并整理试验数据；
S10，建立复合材料在不同温度及加载速度下的有限元分析模型，并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证，确定试验结果的有效性；
S11，根据步骤S10中获得有限元仿真结果，获得加载杆(3)中部的仿真应力波形σ1(t)，将仿真应力波形σ1(t)与试验冲击加载应力波形σ2(t)进行比较；若二者一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S10，调整有限元仿真模型重新计算；
S12，根据步骤S10分析结果，获得垫块(83)处支反力F1(t)时程曲线，以及加载杆(3)与试样(9)的接触力F2(t)时程曲线；若二者对比一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S3，重新设定冲击加载应力波形进行试验；
S13，根据步骤S8中得到的加载杆(3)上的应变信号并得到冲击荷载F(t)时程曲线，取其中最大荷载Fmax，然后根据层间剪切强度理论公式计算得出该材料在该温度及加载速度下的动态层间剪切强度τM；
F(t)＝AE[εi(t)+εr(t)]
其中A为加载杆横截面积；E为加载杆弹性模量。
Figure FDA0003649679040000031
其中b为试样宽度；h为试样厚度。
7.根据权利要求6所述的一种测试方法，其特征在于，所述S1的具体步骤如下：
S101，加载杆(3)采用直径14.5mm，长度为2000mm的钢制圆杆；撞击杆(2)采用直径14.5mm，长度为300mm的钢制圆杆；加载杆(3)端采用楔角为60度的楔形头；试样(9)采用长25mm，宽10mm，厚6.35mm的纤维增强环氧树脂复合材料试样。
8.根据权利要求6所述的一种测试方法，其特征在于，所述S10的具体步骤如下：
S1001，在ABAQUS/CAE中分别建立加载杆(3)、简化支撑座(8)、试样(9)的几何模型；
S1002，设置材料属性：在ABAQUS/CAE的材料属性赋予模块中，赋予纤维增强复合材料试样考虑温度影响的弹性本构材料参数：E11、E22、E33、G12、G13、G23、v12、v13、v23；E11、E22、E33分别为纤维增强复合材料在不同方向上的弹性模量；G12、G13、G23分别为纤维增强复合材料在不同方向上的剪切模量；v12、v13、v23分别为纤维增强复合材料在不同方向上的泊松比；方向1为纤维增强复合材料的一纤维轴向，方向2表示纤维增强复合材料面内垂直于方向1的方向，方向3表示纤维增强复合材料的厚度方向；其中弹性模量Eii，下标i表示在方向i上的弹性模量；剪切模量Gij、泊松比vij中，下标i表示剪切模量、泊松比在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示剪切模量、泊松比方向与方向j平行；
在ABAQUS/CAE的材料属性赋予模块中，赋予加载杆和支撑座弹性本构材料参数：弹性模量E和泊松比v；
S1003，划分网格单元：加载杆(3)、试样(9)及支撑座(8)均采用C3D8R缩减积分实体单元划分网格；
S1004，施加边界条件：确定该模型的约束部位并施加边界条件；
S1005，定义接触：在试样(9)和加载杆(3)之间以及试样(9)与支撑座(8)之间设置通用接触算法；
S1006，设置分析步：在加载杆(3)上与撞击杆(2)相邻的一端施加试验时的冲击加载应力波形，进行有限元分析。
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