CN115184139A - 一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具及方法 - Google Patents

一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可监测的双向施加预载荷复合材料的冲击测试装置及方法，该装置的夹头螺纹杆插入在冲击测试平台四边的固定装置中，夹头U型槽内固定连接四个垫片外边缘，垫片紧固试验件的四边，平稳放置在支撑台上方。该装置具有在更接近实际工作环境下施加冲击测试的优点，操作方便，匹配落锤冲击试验机实现复合材料层合板预载荷冲击测试的精度和需求。夹头从四个方向夹持住复合材料层合板后，通过电机向试样件四边施加拉伸或压缩的载荷，使得夹头在试验件平面内滑动，垫片通过夹头的移动，也同步水平滑动，从而施加给试验件外边缘，实现对复合材料层合板预拉或预压载荷的施加。

Description

一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具及方法
技术领域
本发明属于一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具及方法技术领域，具体涉及一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具及方法。
背景技术
复合材料因其高的比强度、比刚度、耐疲劳等性能，被广泛应用于航空、航天领域，且其使用比例决定了结构的轻量化程度和主要性能。然而，复合材料在飞机服役过程中易受到多种冲击威胁，结构设计的关键问题之一是要研究分析其抗冲击性能。因此，采用力学冲击试验是测试复合材料层合板抗冲击性能、研究其冲击响应的重要方法。
飞机结构往往在受到冲击之前，就存在预应力和预应变，主要是由于结构承载、温度湿度变化、制造加工、气动载荷、惯性力等因素导致的。但在ASTM D7136-12、AITM-0010等复合材料冲击测试标准和已有研究中，假设了实验前提环境是理想的无预加载荷条件，这对复合材料结构设计的冲击损伤研究会造成误差参考。因此，为了更加系统准确地测试分析复合材料层合板在服役过程中的抗冲击性能，急于需要设计一种能够实现施加预应力(预拉、预压)的冲击测试夹具。
目前，现有的测试装置中，部分测试装置可实现施加预拉载荷或预压载荷的复合材料层合板冲击性能测试。然而复合材料层合板具有各向异性，且实际服役时载荷复杂，并非只受简单的单向拉、或单向压应力，另外，施加预拉载荷或预压载荷的大小、时间等无法实时监测，形成可量化的数据进行后续结构的性能研究。因此，已有设计的工装实现预应力条件有限，单方向加载应力条件与实际工况仍存在差异，且无法监测预应力或预应变具体数值大小。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具及方法，以解决现有技术中已有测试装置的加载的应力和实际工况存在差异，且难以监测预应力或应变具体数值的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，包括夹具平台，夹具平台上固定设置有支撑台，所述支撑台用于支撑试样件；
所述试样件的每一个边部被一组垫片夹持，四组垫片组成正方形环状；所述试样件的每一个边部设置有多个试样通孔，每一个垫片的内边开设有多个夹持通孔，一个试样通孔和一个夹持通孔通过第二螺栓连接；每一组垫片的后端被一个夹头夹持，每一个垫片的后边设置有若干对被夹持通孔，每一个夹头上设置有若干个夹头通孔，一个被夹持通孔和一对夹头通孔通过第一螺栓连接；
所述试样件上一个边的多个试样通孔相对于试样件的中心线对称，所述多个试样通孔对应的若干个被夹持通孔相对于试样件的中心线对称；
所述夹头的外端一体连接有夹头连接杆，所述夹头连接杆的外端固定设置在驱动固定端中；每一组相对的驱动固定端通过一个电机进行驱动。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述夹具平台为正方形；所述夹具平台固定设置在冲击测试平台上。
优选的，所述驱动固定端设置在冲击测试平台上。
优选的，所述夹具平台的中心处开设有方形或圆形的通孔。
优选的，所述支撑台由两个相互垂直的平板交叉一体连接组成；两个平板的交叉处设置有正方形环状凸起，所述正方形环状凸起和夹具平台同轴线；
所述正方形环状凸起上安装有试样件。
优选的，所述垫片的内端部为梯形。
优选的，一个边部的所有试样通孔和所述边部的距离相等，一个边部的所有试样通孔等分设置。
优选的，所述夹头为U型夹头。
优选的，所述驱动固定端的上部分和夹头连接杆紧固连接，驱动固定端的下部分滑动连接有传动杆；所述驱动固定端的下方设置有两个转向齿轮，分别为上侧的转向齿轮和下侧的转向齿轮；
所述传动杆的另一端和上侧的转向齿轮连接，上侧的转向齿轮通过竖向的连接杆和下侧的转向齿轮连接；
两个相对设置的下侧的转向齿轮共同连接一个转向连接齿轮，一个转向连接齿轮和一个电机连接。
一种基于上述测试夹具的可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试方法，包括以下步骤：
步骤1，将夹具平台放置在冲击测试平台上，在夹具平台上安装支撑台；
步骤2，将试样件的四个边缘夹装至四组垫片中；
步骤3，将被垫片夹持的试样件置于支撑台上，四组垫片分别被四个夹头夹持；
步骤4，将夹头连接杆插入至驱动固定端中；
步骤5，开始冲击测试。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种可监测的双向施加预载荷复合材料的冲击测试装置，该装置的夹头螺纹杆插入在冲击测试平台四边的固定装置中，夹头U型槽内固定连接四个垫片外边缘，垫片紧固试验件的四边，平稳放置在支撑台上方。该装置具有在更接近实际工作环境下施加冲击测试的优点，操作方便，匹配落锤冲击试验机实现复合材料层合板预载荷冲击测试的精度和需求。夹头从四个方向夹持住复合材料层合板后，通过电机向试样件四边施加拉伸或压缩的载荷，使得夹头在试验件平面内滑动，垫片通过夹头的移动，也同步水平滑动，从而施加给试验件外边缘，实现对复合材料层合板预拉或预压载荷的施加。由于在夹头连接杆末端固定装置处设有力、位移传感器，因此本发明既满足同步双向施加预载荷的要求，同时可以实现监测预加拉伸和压缩载荷的力和位移数据。
进一步的，冲击测试夹具包括中间承载复合材料层合板的支撑台，它与夹具平台通过螺栓稳固连接。
进一步的，支撑台中心有方形环状凸起，以托起试验件。
进一步的，上下垫片通过通孔和螺栓紧固夹持住复合材料层合板，围成一个更大的正方形。
进一步的，通过垫片外边缘的螺栓将复合材料层合板和垫片与四个夹头紧固连接。
进一步的，通过夹头的连接杆与冲击测试平台上四个固定端连接。
进一步的，通过电机控制平台上的相对驱动固定端同步水平滑动，使得相对的两个夹头水平移动，进而通过垫片施加给复合材料层合板水平载荷。
进一步的，其中相对的固定端连接同一个电机，保证同步施加预拉伸或预压缩载荷，固定端设置有力、位移传感器。
本发明还公开了一种可监测的双向施加预载荷复合材料的冲击测试方法，该方法采用电机控制冲击测试平台上的驱动固定端，使得装置在水平方向上前后滑动，利用夹头连接杆带动夹头前后移动，夹头移动，则垫片移动，从而通过复合材料层合板外边缘实现了施加给试验件预拉或预压载荷。由于四个紧固装置上设置有力、位移传感器，因此本发明既满足同步双向施加预载荷的要求，同时可以实现监测预加拉伸和压缩载荷的力和位移数据。
附图说明
图1是本发明可监测的双向施加预拉压载荷的冲击测试夹具示意图；
图2是本发明可监测的双向施加预拉压载荷的冲击测试夹具的结构爆炸图；
图3是本发明可监测的双向施加预拉压载荷的冲击测试平台总装示意图；
图4是本发明实现双向同步施加预拉压载荷的原理示意图。
其中：1-夹头连接杆；2-试样件；3-垫片；4-夹头；5-支撑台；6-夹具平台；7-第一螺栓；8-第二螺栓；9-第三螺栓；10-传感器；11-冲击测试平台；12-驱动固定端；13-转向齿轮；14-转向连接齿轮；15-电机；16-连接杆；17-正方形环状凸起；18-试样通孔；19-夹持通孔；20-被夹持通孔；21-夹头通孔；22-传动杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1，本发明公开了一种可监测的双向施加预载荷复合材料的冲击测试装置，该测试装置可双向施加预应力并监测预应力的大小或试验件的位移变化，包括夹头连接杆1、垫片3、夹头4、支撑台5、夹具平台6、第一螺栓7、第二螺栓8、第三螺栓9、传感器10、冲击测试平台11、驱动固定端12、转向齿轮13、转向连接齿轮14、电机15和连接杆16。
参见图3和图4，具体的，夹具平台6通过螺栓连接固定在冲击测试平台11上，优选的，冲击测试平台11为正方形，冲击测试平台11的过其中心点两个相互垂直的中心轴线上，每一个中心轴线的两端设置有能够相对于冲击测试平台11移动的驱动固定端12，因此冲击测试平台11上共设置有四个驱动固定端12，优选的，驱动固定端12的底部和冲击测试平台11的连接方式为滑轨连接。驱动固定端12设置在冲击测试平台11上，驱动固定端12的内端面上设置有传感器10，每一对驱动固定端12和传感器10上设置均开设有同轴线的圆孔，该圆孔用于连接夹头连接杆1。传感器10为力、位移传感器，与之相对的是驱动固定端12，驱动固定端12的上部分紧固连接有夹头连接杆1，下部分通过螺纹滑动连接有传动杆22，传动杆22和该驱动固定端12上的夹头连接杆11平行，且位于同一竖直水平面上。传动杆22的一端和驱动固定端12螺纹滑动连接，另一端和上方的转向齿轮13连接。每一个驱动固定端12的下方设置有两个转向齿轮13，分别为上侧的转向齿轮13和上侧的转向齿轮13，同一个驱动固定端12下方的两个转向齿轮13位于同一竖向线上。因此冲击测试平台11的下方共设置有8个转向齿轮13。同一个驱动固定端12下方的两个转向齿轮13通过一个竖向的连接杆16连接，每一个下侧的转向齿轮13通过一个水平方向的连接杆16连接一个转向连接齿轮14，相对设置的下侧的转向齿轮13分别通过一个水平方向的连接杆16共同连接有转向连接齿轮14，一个转向连接齿轮14连接有一个电机15，因此共设置有连接两个电机15。上述结构的工作过程为：当电机15通电后，与电机15连接的动力输出杆转动，带动其对应转向连接齿轮14转动，随即与转向连接齿轮14连接的两个水平方向的连接杆16转动，两个水平方向的连接杆16带动各自连接的下侧的转向齿轮13转动，进而实现竖直方向的连接杆16转动。同上的原理，当竖直方向的连接杆16转动时，带动各自对应的上侧的转向齿轮13转动，带动传动杆22转动，进而驱动固定端12可通过螺纹沿着传动杆22水平移动，进而带动对应的夹头连接杆1一起运动，从而带动夹头4移动。
冲击测试平台11上固定设置有夹具平台6，优选的，所述夹具平台6为正方形，夹具平台6的四个角设置螺栓孔固定在冲击试验机下方的测试冲击平台11上。夹具平台6的中间加工有方形或圆形通孔，为冲击区域的冲头下落留出空间。
参见图2，夹具平台6上通过若干个第三螺栓9固定设置有支撑台5；支撑台5是一个十字形交叉平板，中心部位设有正方形环状凸起17，用于托起试样件2，试样件水平放置在正方形环状凸起17的上方。
试样件2的材料为待测量的复合材料层合板，试样件2为正方形，试样件2的每一个边沿边钻有等间距的若干个试样通孔18，同一个边上的试样通孔18和其对应边部之间的距离相等。试验过程中，正方形试样件2的每一个边被一组垫片3夹持，通过螺栓和每一个边上通孔18的紧固连接。
参见图2可以看出，每一组垫片3包括两个形状相同的垫片3，每一组垫片3将其对应的试样件2的边部夹持在两个垫片3之间，整个测量装置共设置有四组垫片3。每一个垫片3在其夹持端(内端)的边部设置为梯形，即每一个垫片3的内端部长度小于外端部的长度。使得四组垫片3能够围绕试样件2的边部组成一个正方形框，每一组垫片3和试样件2贴合，每一组垫片3和其中间的试样件2组成一个夹芯结构。每一个垫片3在其夹持边(内边)沿长度方向设置有若干个夹持通孔19，一个夹持通孔19和一个试样通孔18对应，通过第二螺栓8连接，使得垫片3和试样件2之间没有相对位移；每一个垫片3在其被夹持边(外边)设置有两个被夹持通孔20，每一个边上的被夹持通孔20通过螺栓和一个夹头4连接。
夹头4为U型夹头，夹头4的每一个侧壁上开设有两个夹头通孔21，每一个夹头通孔21和一个被夹持通孔20对应，通过第一螺栓7连接，夹头4的外端一体连接有一个夹头连接杆1，该夹头连接杆1的外端插入驱动固定端12的通孔中，和驱动固定端12连接。夹头连接杆1的头尾端均设置有螺纹。
上述结构的设置，因为使得夹头4受到向外拉的力时，不是直接作用到试样件2上，而是先作用到对应的垫片3上，由垫片3给予试样件2向外均匀的拉力，减少试样件2受到的其他不均匀的力。
一种基于上述装置的复合材料层合板冲击测试方法，所有的螺栓紧固夹持。上下垫片夹持住复合材料合板的外边缘，夹头夹持住垫片的外边缘，夹头螺纹连接杆连接在冲击测试平台的固定端上。
控制系统控制冲击测试平台上的电机，驱动固定端沿夹头连接杆进行水平方向上的前后移动，从而带动夹头移动，复合材料层合板同时受到外边缘的拉伸或压缩载荷；同时，驱动固定端上设置有力、位移传感器，使其面内受到想要的载荷或位移时，可实时监测反馈和预先设定。
在预定载荷下进行冲击测试，传感器全程工作，监测复合材料层合板在整个冲击过程中的受力和位移情况，获得测试数据。
本发明的工作原理为：
将设计尺寸范围内的复合材料层合板2置于支撑台5的上方，将试样件2的外边缘上下夹好垫片3，将四个夹头4的U型槽，插入四边的垫片和复合材料层合板夹芯结构，第一螺栓7穿过夹头4和垫片3长方形区域的通孔，将两者连接起来。将每一个夹头连接杆1分别插入传感器10和驱动固定端12的圆孔中，通过螺纹紧固，没有相对移动。
本发明中，进行冲击测试时，控制系统设置应力值或位移值，电机15根据设置值启动，驱动固定端12通过连接杆16、借助转向连接齿轮14和转向齿轮13的两次变向和传递，进行移动，当达到设置值，电机停止控制驱动固定端的移动并使其保持，之后进行冲击测试。
当电机15控制驱动固定端沿夹头连接杆1水平移动后，夹头4随之移动，牵动垫片3移动，通过垫片3梯形区域与复合材料层合板2的紧固贴合，将应力或位移传递到试样件上。此时，实现了复合材料层合板2四个边的同步双向面内预拉伸或预压缩载荷。
在整个施加预载荷的过程中，传感器固定端的力、位移传感器从开始设置应力或位移时，就进行力和位移的数据采集，并实时反馈到控制系统中，以及在冲击过程中，应力或位移的变化也可以实时监测记录下来，作为冲击测试性能的一部分数据参考。
本发明结构合理，设计饱满，提供了针对复合材料层合板的冲击测试夹具和方法，同时能够可监测同步双向施加预拉预压载荷。本发明已经试制、并进行实验验证，效果较好。
【实施例】
本实施例测试一个200mm×200mm×5mm的碳纤维增强复合材料层合板的低速冲击，预应力为50N。
具体实施方式如下：
步骤一，将夹具平台通过四个角的螺栓紧固在冲击测试平台上，在夹具平台上方紧固好十字的支撑台。
步骤二，将切割好的试样件2四个外边缘上下装夹好垫片3，确保没有相对移动。优选的，支撑台上方摆放好试样件后，四个边一定宽度范围内，上下夹持相同尺寸形状的垫片。
步骤三，将带有垫片的层合板置于支撑台上，四边的垫片外缘分别插入四个夹头的U型槽内，用螺栓连接紧固好，确保没有相对移动。
步骤四，将夹头连接杆穿入传感器和驱动固定端的中间圆心中，调节相对位移，保证层合板的冲击中心，保证垫片、夹头及夹头连接杆没有相对位移和应力。
步骤五，设置完成后，在控制系统中设置应力F＝50N，点击启动，观察传感器反馈的应力数值，到达50N后，停止加载并保持驱动固定端的位置。
步骤六，启动冲击试验机，进行冲击试验，冲击结束后，记录传感器采集的完整过程中的应力和位移数值。
步骤七，恢复驱动固定端的位置，放松螺栓夹持，取下复合材料层合板试验件，结束预应力下的冲击测试试验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，包括夹具平台(6)，夹具平台(6)上固定设置有支撑台(5)，所述支撑台(5)用于支撑试样件(2)；
所述试样件(2)的每一个边部被一组垫片(3)夹持，四组垫片(3)组成正方形环状；所述试样件(2)的每一个边部设置有多个试样通孔(18)，每一个垫片(3)的内边开设有多个夹持通孔(19)，一个试样通孔和一个夹持通孔(19)通过第二螺栓(8)连接；每一组垫片(3)的后端被一个夹头(4)夹持，每一个垫片(3)的后边设置有若干对被夹持通孔(19)，每一个夹头(4)上设置有若干个夹头通孔(21)，一个被夹持通孔(19)和一对夹头通孔(21)通过第一螺栓(7)连接；
所述试样件(2)上一个边的多个试样通孔(18)相对于试样件(2)的中心线对称，所述多个试样通孔(18)对应的若干个被夹持通孔(19)相对于试样件(2)的中心线(2)对称；
所述夹头(4)的外端一体连接有夹头连接杆(1)，所述夹头连接杆(1)的外端固定设置在驱动固定端(12)中；每一组相对的驱动固定端(12)通过一个电机(15)进行驱动。
2.根据权利要求1所述的一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，所述夹具平台(6)为正方形；所述夹具平台(6)固定设置在冲击测试平台(11)上。
3.根据权利要求2所述的一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，所述驱动固定端(12)设置在冲击测试平台(1)上。
4.根据权利要求1所述的一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，所述夹具平台(6)的中心处开设有方形或圆形的通孔。
5.根据权利要求1所述的一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，所述支撑台(5)由两个相互垂直的平板交叉一体连接组成；两个平板的交叉处设置有正方形环状凸起(17)，所述正方形环状凸起(17)和夹具平台(6)同轴线；
所述正方形环状凸起(17)上安装有试样件(2)。
6.根据权利要求1所述的一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，所述垫片(3)的内端部为梯形。
7.根据权利要求1所述的一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，一个边部的所有试样通孔(18)和所述边部的距离相等，一个边部的所有试样通孔(18)等分设置。
8.根据权利要求1所述的一种可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，所述夹头(4)为U型夹头。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试夹具，其特征在于，所述驱动固定端(12)的上部分和夹头连接杆(1)紧固连接，驱动固定端(12)的下部分滑动连接有传动杆(22)；所述驱动固定端(12)的下方设置有两个转向齿轮(13)，分别为上侧的转向齿轮(13)和下侧的转向齿轮(13)；
所述传动杆(22)的另一端和上侧的转向齿轮(13)连接，上侧的转向齿轮(13)通过竖向的连接杆(16)和下侧的转向齿轮(13)连接；
两个相对设置的下侧的转向齿轮(13)共同连接一个转向连接齿轮(14)，一个转向连接齿轮(14)和一个电机(15)连接。
10.一种基于权利要求1所述测试夹具的可监测的双向施加预载荷复合材料冲击测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将夹具平台(6)放置在冲击测试平台上，在夹具平台上安装支撑台(5)；
步骤2，将试样件(2)的四个边缘夹装至四组垫片(3)中；
步骤3，将被垫片(3)夹持的试样件(2)置于支撑台(5)上，四组垫片(3)分别被四个夹头(4)夹持；
步骤4，将夹头连接杆(1)插入至驱动固定端(12)中；
步骤5，开始冲击测试。
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