CN115235870A - 一种用于复合材料v型缺口件剪切试验的夹具及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具及使用方法，属于复合材料强度试验领域，通过增加试验夹具整体强度以及端面剪切力和摩擦力的混合加载方式，能够有效地将剪切载荷传递给试验件，保证试验有效性；该夹具包括：上夹具、下夹具、两组夹持块组件和两组V形对中卡装组件；上夹具和下夹具的内侧壁均设有一夹持凹槽；两组夹持块组件分设在两个所述夹持凹槽中；每组夹持块组件均包括L形的第一夹持块和方形的第二夹持块，第一夹持块和第二夹持块之间夹持有待试验的试验件；两组V形对中卡装组件分设在试验件非夹持的两端，且与试验件的V型缺口嵌入接触连接，用于实现组装过程中对试验件的定位和对中。

Description

一种用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具及使用方法

技术领域

本发明涉及复合材料强度试验技术领域，尤其涉及一种用于高强度复合材料V型缺口件剪切试验的夹具及使用方法。

背景技术

剪切试验为材料规范、材料开发与研究、质量保证、结构设计与分析提供基础性数据。国外试验方法《由V型轨道剪切方法测定复合材料剪切性能标准试验方法》(ASTMD7078/7078M--12)提供了通过把V形缺口试样的两端夹持在两对加载轨道上来确定高模量纤维增强复合材料剪切性能的试验方法。

由于复合材料性能的逐步提高与飞机强度设计的实际需要，用于V型缺口剪切试验的试验件剪切强度逐年提高，原有的V型缺口剪切试验夹具出现了先于试验件破坏和加载过程中试验件打滑的现象，其夹具强度以及剪切载荷的引入方式均在一定程度上无法满足高强度复合材料V型缺口剪切试验的需求。

因此，有必要研究一种用于高强度复合材料V型缺口件剪切试验的夹具来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于高强度复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，能够通过增加V型缺口剪切试验夹具系统整体强度以及端面剪切力和摩擦力的混合加载方式，有效地将剪切载荷传递给试验件，使试验得到有效的结果。

一方面，本发明提供一种用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，所述夹具包括：上夹具、下夹具、两组夹持块组件和两组V形对中卡装组件；

所述上夹具和所述下夹具的内侧壁均设有一夹持凹槽；所述两组夹持块组件分设在两个所述夹持凹槽中；

每组夹持块组件均包括L形的第一夹持块和方形的第二夹持块，所述第一夹持块和所述第二夹持块之间夹持有待试验的试验件；

所述两组V形对中卡装组件分设在所述试验件非夹持的两端，且与所述试验件的V型缺口嵌入接触连接，用于实现组装过程中对试验件的定位和对中。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述上夹具和所述下夹具均包括L形夹具本体和设于所述L形夹具本体底端的连接件，所述连接件与试验机连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述夹持凹槽中与所述试验件平行的两侧壁上均设有若干贯通式固定孔；

所述第一夹持块和所述第二夹持块的外侧壁上均设有若干非贯通式固定孔；

所述非贯通式固定孔与对应的贯通式固定孔通过夹紧螺栓连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一夹持块和所述第二夹持块上的非贯通式固定孔的数量均为3个，且三个非贯通式固定孔的设置位置形成三角形；

所述夹持凹槽的同一侧壁上的贯通式固定孔的数量为3个，且三个贯通式固定孔的设置位置形成三角形。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述V形对中卡装组件包括V形对中卡装件本体、凸台和垫块；

所述V形对中卡装件本体为条状，且横截面具有V形凸出结构，所述V形凸出结构嵌设在所述试验件的V型缺口中；

所述凸台固设于所述V形对中卡装件本体的一端，且所述凸台的内表面与所述上夹具和/或所述下夹具的外侧壁接触连接；

所述V形对中卡装件本体的另一端可拆卸地设有所述垫块。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述垫块上设有过孔，所述V形对中卡装件本体的端面上设有具有内螺纹的凹孔；所述V形对中卡装件本体与所述垫块通过对中调整螺栓实现可拆卸式连接。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述连接件的一端设有外螺纹，并与设于L形夹具本体上的螺纹孔螺纹连接；

所述连接件的另一端设有通孔，通过销钉与所述试验机连接；且所述连接件的该端设有外螺纹并配合套设有锁紧螺母。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述V形对中卡装件本体上设有中心轴线刻度，所述上夹具和所述下夹具上均设有与加载轴线平行的对中刻度；通过调节对中调整螺栓的拧入程度实现所述中心轴线刻度与所述对中刻度的对齐，从而实现试验件的对中。

另一方面，本发明提供一种如上任一所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具的使用方法，所述方法的步骤包括：

S1、将一组夹持块组件和试验件的一个夹持端置入下夹具的夹持凹槽内，并将位于下方的一组V形对中卡装组件组装在下夹具上，同时使V形对中卡装组件嵌入式置于试验件下端的V型缺口内；

S2、将另外一组夹持块组件和试验件的另一个夹持端置入上夹具的夹持凹槽内，并将位于上方的一组V形对中卡装组件组装在上夹具和下夹具之间，同时使该组V形对中卡装组件嵌入式置于试验件上端的V型缺口内；

S3、调整组装位置以保证试验件和上夹具、下夹具的对中，同时保证整个夹具的夹持强度；

S4、拆除两组V形对中卡装组件；

S5、按要求进行剪切试验。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1、S2和S3中夹持块组件对试验件夹持强度的调整方式为：通过调整穿设在夹持凹槽侧壁以及部分旋拧在夹持块组件内的夹紧螺栓的拧入程度，实现夹持块组件对试验件夹持强度的调整。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明通过增加V型缺口剪切试验夹具系统整体强度，通过对试验件施加端面及通过摩擦力施加的剪切力混合加载的方式，能有效地将剪切载荷传递给试验件，使试验得到有效的结果；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明能够解决现有夹具在夹具强度和载荷引入方式上无法满足新材料高剪切强度要求的问题；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明相比ASTMD7078提出的试验夹具，通过改进其结构设计增加了试验夹具整体强度，避免由于被测材料性能提升以及试验件破坏载荷较大而引起的夹具提前破坏，采用更大直径和更高强度的夹紧螺栓，以避免多次重复试验造成的螺栓螺纹失效，同时提出对试验件端面正压力和侧面摩擦力相结合的混合加载方式，通过L形加持块端面正压力和侧面摩擦混合加载的方式，在试验件V形缺口区域形成剪切应力场，有效避免试验件与夹持块之间出现非预期的相对滑动，从而保证试验有效性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的试验件及试验夹具系统装配结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的上夹具轴测图；

图3是本发明一个实施例提供的下夹具轴测图；

图4是本发明一个实施例提供的L型夹持块轴测图。

其中，图中：

1、上夹具；2、下夹具；3、夹持块组件；4、V形对中卡装组件；5、垫块；6、试验件；

11、上夹具本体；12、上连接件；13、第一凹槽；14、第一固定孔；

21、下夹具本体；22、下连接件；23、第二凹槽；24、第二固定孔；

31、第一子夹持块；32、第二子夹持块；33、第三固定孔。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，包括上夹具、下夹具、两对夹持块组件，通过上紧扭矩的方式，通过夹持块给试验件接触面施加压力，且通过L型夹块的端面给试验件施加端面的载荷，当拉伸加载时，夹具通过复合加载的方式把剪力传入试验件。

进一步，夹具相比ASTM D7078标准夹具改进了夹紧螺栓的设计，采用M14的螺栓，其直径更大，提高了第一固定孔14和第二固定孔24能承受的最大拧紧力矩，最大可以承受110N·m，相对于ASTM D7078方法推荐的(45～55)N·m的拧紧力矩值，提高了夹具使用裕度，使夹具可以提供更大的夹持块面接触力，从而提高夹具通过摩擦力传递到试验件上的剪切载荷，可以有效避免固定孔以及夹紧螺栓由于多次重复试验造成的螺纹磨损失效；

进一步，把一组夹持块从传统的两个长方形改为一个L型与一个长方形的组合，夹持块与试验件的接触面采用原有碳化钨热喷涂设计，以通过对试验件侧面夹持而引入剪切载荷，L型夹持块通过与试验件端面接触，施加部分正压力引入剪切载荷，如此便形成了正压力和侧面摩擦力混合加载的方式，另外通过L形夹持块与试验件端面接触的设计，可有效避免试验件与夹持块之间出现非预期的相对滑动，通过在试验件加载过程中L型块可提供的端面加载的方式，提高夹具可以给试验件施加的剪切载荷，增加了夹具可以施加剪切载荷的上限，避免出现试验件与夹持块滑动的不可接受破坏模式，从而获取高强度材料的剪切性能。

实施例1：

一种用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，具体实施方式如下：

1)参阅图1，包括上夹具1、下夹具2、两组夹持块组件3，通过上紧扭矩的方式，通过夹持块给试验件接触面施加压力，且通过L型夹块的端面给试验件施加端面的载荷，当拉伸加载时，夹具通过复合加载的方式把剪力传入试验件；试验件6大致为方形，其上下两端分别设有V型缺口；上夹具和下夹具之间的夹持空间的上下两端分别设有一组V形对中卡装组件4，用于卡住试验件的V型缺口；V形对中卡装组件4的端部设有垫块5，用于垫装在V形对中卡装件本体的端部实现试验件的对中，即相对于第一凹槽和第二凹槽的位置正合适；V形对中卡装件本体为条状结构，V其截面是凸出的V形结构，恰好与试验件6的V型缺口相匹配。V形对中卡装件本体的一端设有凸台，凸台与条状的V形对中卡装件本体固定连接；由于V形对中卡装件本体设置在上夹具和下夹具之间，因此组装时凸台的内表面同时与上夹具以及下夹具的外端面接触连接，用以限制其本身的轴向位置；V形对中卡装件本体的另一端端面设有螺纹孔，垫块5上也设有过孔，通过螺栓实现垫块与V形对中卡装件本体端部的连接，用以将V形对中卡装组件与上夹具、下夹具固定；通过调整螺栓的拧入程度来调整垫块5的位置实现对中；上下夹具端面设有与加载轴线平行的刻度，同时V形对中卡装组件也标记有中心轴线刻度，通过将两条线对齐，来确保试验件对中；

装配结束后试验开始前，需松开V形对中卡装件本体端部的螺栓，取下垫块5，然后从后端(即凸台端)将V形对中卡装件本体沿着试验件厚度方向抽出；

2)参阅图2，所述夹具的上夹具，包括倒“L”形的上夹具本体11和设于上夹具本体上端的上连接件12；上夹具本体的内侧壁设有第一凹槽13，第一凹槽的两侧壁上均设有若干第一固定孔14；第一固定孔14为通孔；上连接件12用于连接本试验夹具系统和试验机，其一端通过螺纹与上夹具本体可拆卸式固定连接，另一端设计一个与试验机连接孔匹配的通孔，通过销钉进行连接，另在上连接件12外表面设置螺纹，并配有螺母(图中未示出)，以确保与试验机销钉连接后的锁紧；

3)参阅图3，所述夹具的下夹具，包括“L”形的下夹具本体21和设于下夹具本体下端的下连接件22；下夹具本体的内侧壁设有第二凹槽23，第二凹槽的两侧壁上均设有若干第二固定孔24，第二固定孔24为通孔；

4)参阅图4，所述夹具的夹持块组件3，两组夹持块组件中，每组夹持块组件3均包括L型的第一子夹持块31和类长方体状的第二子夹持块32；第一子夹持块31、第二子夹持块32和第一凹槽13或第二凹槽23尺寸匹配；夹持时，第二子夹持块32位于第一子夹持块31的内底端面上，如图4中箭头所示位置，两个子夹持块之间留有缝隙，试验件的端部位于缝隙中，两子夹持块装配于上夹具或下夹具的凹槽内，实现夹持；

第一子夹持块31和第二子夹持块32上不与试验件接触的端面均设有若干第三固定孔33，第三固定孔33为非贯通孔，即一端开口，且开口均朝外；第三固定孔33的位置和第一固定孔或第二固定孔匹配；组装时，每组夹持块对应一个凹槽，即第一凹槽或第二凹槽，采用螺栓连接的方式实现第一凹槽两侧壁上的第一固定孔14与对应组夹持块的第三固定孔33的连接，以及实现第二凹槽两侧壁上的第二固定孔24与对应组夹持块的第三固定孔33的连接；具体连接时，同一凹槽同一侧壁上的固定孔与对应的子夹持块上的非贯通的第三固定孔螺栓连接；由于第三固定孔为非贯通孔，螺栓端部在固定连接的同时不会穿过子夹持块，从而保证螺栓拧紧过程不会对夹持在两子夹持块之间的试验件造成破坏；

5)充分松开每个子夹持块中的夹紧螺栓使试验件能自由插入夹具凹槽，把试验件和V形对中卡装件本体松松地插入上下夹具中，应夹紧根部V形对中卡装件本体，使它与上下夹具可靠地连接。调整夹具一侧的三个夹紧螺栓，按V形对中卡装件本体中心划线标记和上下夹具上的刻度标记对中试验件，用手拧紧下夹具侧面的三个螺栓，轻轻地夹住试验件；确认试验件缺口已与V形对中卡装件本体对中后，用最大拧紧力矩的一半拧紧每个夹紧螺栓，然后再按要求的夹紧力矩值拧紧螺栓。第二个夹具(上夹具)放在试验件上，用安装第一个夹具(下夹具)时定位用的两个V形对中卡装件本体，再次用于安装第二个夹具块使试验件定位；可能需要先放松V形对中卡装件本体根部使试验件与第二个夹具相连，应重新夹紧V形对中卡装件本体根部使其与夹具牢固连接；用与第一个夹具块相同的方式拧紧夹紧螺栓；把每对夹具分别与试验机上下端头连接；然后拆除固定V形对中卡装件本体的螺栓，应使V形对中卡装件本体自由滑出已安装好的夹具；

6)所述试验夹具系统与试验件装配好后，将夹具通过上连接件12和下连接件22与试验机连接，然后取下V形对中卡装组件即可进行剪切试验；试验机通过横梁移动，通过连接件12将拉伸载荷传递至上夹具本体11，上夹具本体11通过固定孔处的螺栓将载荷传递给夹持块，夹持块通过L形端面和侧面对试验件施加载荷，在试验件V型缺口处形成剪应力场，从而测得剪切性能。

以上对本申请实施例所提供的一种用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

Claims (10)

1.一种用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述夹具包括：上夹具、下夹具、两组夹持块组件和两组V形对中卡装组件；

所述上夹具和所述下夹具的内侧壁均设有一夹持凹槽；所述两组夹持块组件分设在两个所述夹持凹槽中；

每组夹持块组件均包括L形的第一夹持块和方形的第二夹持块，所述第一夹持块和所述第二夹持块之间夹持有待试验的试验件；

所述两组V形对中卡装组件分设在所述试验件非夹持的两端，且与所述试验件的V型缺口嵌入接触连接，用于实现组装过程中对试验件的定位和对中。

2.根据权利要求1所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述上夹具和所述下夹具均包括L形夹具本体和设于所述L形夹具本体底端的连接件，所述连接件与试验机连接。

3.根据权利要求1所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述夹持凹槽中与所述试验件平行的两侧壁上均设有若干贯通式固定孔；

所述第一夹持块和所述第二夹持块的外侧壁上均设有若干非贯通式固定孔；

所述非贯通式固定孔与对应的贯通式固定孔通过夹紧螺栓连接。

4.根据权利要求3所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述第一夹持块和所述第二夹持块上的非贯通式固定孔的数量均为3个，且三个非贯通式固定孔的设置位置形成三角形；

所述夹持凹槽的同一侧壁上的贯通式固定孔的数量为3个，且三个贯通式固定孔的设置位置形成三角形。

5.根据权利要求1所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述V形对中卡装组件包括V形对中卡装件本体、凸台和垫块；

所述V形对中卡装件本体为条状，且横截面具有V形凸出结构，所述V形凸出结构嵌设在所述试验件的V型缺口中；

所述凸台固设于所述V形对中卡装件本体的一端，且所述凸台的内表面与所述上夹具和/或所述下夹具的外侧壁接触连接；

所述V形对中卡装件本体的另一端可拆卸地设有所述垫块。

6.根据权利要求5所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述垫块上设有过孔，所述V形对中卡装件本体的端面上设有具有内螺纹的凹孔；所述V形对中卡装件本体与所述垫块通过对中调整螺栓实现可拆卸式连接。

7.根据权利要求2所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述连接件的一端设有外螺纹，并与设于L形夹具本体上的螺纹孔螺纹连接；

所述连接件的另一端设有通孔，通过销钉与所述试验机连接；且所述连接件的该端设有外螺纹并配合套设有锁紧螺母。

8.根据权利要求6所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具，其特征在于，所述V形对中卡装件本体上设有中心轴线刻度，所述上夹具和所述下夹具上均设有与加载轴线平行的对中刻度；通过调节对中调整螺栓的拧入程度实现所述中心轴线刻度与所述对中刻度的对齐，从而实现试验件的对中。

9.一种权利要求1-8任一所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具的使用方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

S1、将一组夹持块组件和试验件的一个夹持端置入下夹具的夹持凹槽内，并将位于下方的一组V形对中卡装组件组装在下夹具上，同时使V形对中卡装组件嵌入式置于试验件下端的V型缺口内；

S2、将另外一组夹持块组件和试验件的另一个夹持端置入上夹具的夹持凹槽内，并将位于上方的一组V形对中卡装组件组装在上夹具和下夹具之间，同时使该组V形对中卡装组件嵌入式置于试验件上端的V型缺口内；

S3、调整组装位置以保证试验件和上夹具、下夹具的对中，同时保证整个夹具的夹持强度；

S4、拆除两组V形对中卡装组件；

S5、按要求进行剪切试验。

10.根据权利要求9所述的用于复合材料V型缺口件剪切试验的夹具的使用方法，其特征在于，步骤S1、S2和S3中夹持块组件对试验件夹持强度的调整方式为：通过调整穿设在夹持凹槽侧壁以及部分旋拧在夹持块组件内的夹紧螺栓的拧入程度，实现夹持块组件对试验件夹持强度的调整。

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