CN116893102A - 一种纤维增强复合材料蠕变性能测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强复合材料蠕变性能测试装置及测试方法，该方法克服了传统竖向蠕变测试装置的不足，采用水平向装置测试蠕变性能，可实现大量试件的同步测试。测试对象为浸胶纱，可对不同纤维、不同树脂种类的FRP进行快速制备。所述水平加载装置，主要由反力架、螺杆、弹簧、夹具等组成。采用摩擦型夹具对浸胶纱进行锚固，并用千斤顶对浸胶纱进行张拉。弹簧布置在浸胶纱的一端，利用弹簧的可伸缩性，保证浸胶纱在长期应力下产生自由的蠕变变形。本发明方法，能够实现对不同纤维、不同树脂种类的FRP进行高效的蠕变性能测试，且加工成本低、易于实施，对实际工程应用有着重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及蠕变性能测试技术领域，特别涉及一种纤维增强复合材料(FRP)蠕变性能测试装置及测试方法。
背景技术
FRP在长期应力下应变随时间增长的现象，被称为蠕变，蠕变性能是FRP的重要性能之一，直接关系到FRP增强结构的长期变形和预应力FRP的松弛。
传统的FRP蠕变性能测试方法，主要是对FRP筋或FRP板开展蠕变试验，但由于需要事先生产FRP筋或FRP板，如果要对不同纤维、不同树脂种类的FRP进行蠕变性能测试，这种方式较为费时，成本也较高。另一方面，既有的蠕变试验方法一般为竖向，例如在材料下方悬吊重物(可与杠杆结合)，或直接采用蠕变试验机，但竖向试验方法所占空间较大，装置复杂且难以同时开展大量蠕变试验，因此该方法对蠕变性能测试的效率较低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种高效的纤维增强复合材料(FRP)蠕变性能测试装置及测试方法。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：
一种纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，包括蠕变测试反力架、夹具、位移测量仪、第一螺杆、顶板、U形架、千斤顶、第一立板、第二立板、顶压弹簧以及第二螺杆；所述第一螺杆和第二螺杆水平设置在所述蠕变测试反力架的两侧，所述第一螺杆和第二螺杆的内端位于所述蠕变测试反力架内，所述第一螺杆和第二螺杆的外端位于所述蠕变测试反力架外；在所述第一螺杆和第二螺杆的内端分别设置一个所述夹具；所述顶板、U形架以及第一立板依次设置在所述第一螺杆上，所述顶板固定在所述蠕变测试反力架上；所述第一立板位置可调的固定在所述第一螺杆的外端，所述千斤顶设置在所述U形架和第一立板之间；所述第二立板位置可调的固定在所述第二螺杆的外端，所述顶压弹簧套在所述第二螺杆上，并位于述蠕变测试反力架与第二立板之间；所述位移测量仪设置在所述第二螺杆连接的夹具上。
保证蠕变测试过程中浸胶纱与夹具之间不发生滑移，是本测试中准确测量蠕变变形的关键。本发明采用一种摩擦型夹具对浸胶纱进行锚固，夹具内表面有特制的网格状纹路，保证长期蠕变试验中浸胶纱与夹具之间不发生滑移。在制作浸胶纱的过程中，浸胶纱未固化时，将其两端压制成扁平状，然后进行固化，从而增大浸胶纱与夹具之间的接触面，保证浸胶纱与夹具之间的锚固性能。
用千斤顶对浸胶纱进行张拉，张拉方法与普通的预应力张拉类似，通过U形架、顶板、立板、螺杆等装置传递到浸胶纱上，张拉过程中，通过力传感器测量张拉力。张拉完毕后，拆除U形架、千斤顶、力传感器和张拉端螺杆。
远离浸胶纱张拉端的另一端，在反力架外侧布置一个顶压弹簧。张拉浸胶纱时，浸胶纱向张拉端移动，通过弹簧中心的螺杆将力传递到弹簧上，使弹簧压缩。在长期蠕变测试过程中，弹簧会随着浸胶纱蠕变而发生变形，通过百分表可以测量相应的蠕变变形。在FRP蠕变过程中，弹簧劲度系数K与蠕变期间弹簧长度变化量δ的乘积不宜超过张拉力的10％，以避免长期应力产生较大变化。δ可通过试探试验或理论计算初步确定。
蠕变测试结束后，对于蠕变性能粗略测试，蠕变应变可直接取百分表的测量结果。对于蠕变性能精准测试，则需在百分表的测量结果基础上，采用分步法进行蠕变应变修正，计算步的结束时间分别取1min、3min、6min、9min、15min、30min、45min以及1h、1.5h、2h、4h、10h、24h、48h、72h、96h和120h，此后每120h取一次，直至测试时间结束。考虑蠕变试验期间每一计算步中弹簧收缩造成的应力降低，对每一计算步的蠕变应变修正按下式进行：
其中，Δεi’为第i个计算步修正后的蠕变应变；Δεi为第i个计算步的蠕变应变测量值，该值等于夹具位移与浸胶纱自由段初始长度的比值；ΔL0为弹簧的初始伸长量；ΔLi为弹簧在第i个计算步的伸长量，该值等于ΔL0与夹具位移的差值。
需要注意的是，由于上述修正方法的基本假定是FRP始终处于线性蠕变阶段，即每个计算步中的FRP蠕变应变与其应力成正比，因此，FRP长期应力不得大于其在蠕变测试时间内的蠕变断裂应力。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明可实现对FRP蠕变性能高效测试的目的。一方面，采用浸胶纱进行测试，节省了FRP试样制作时间，节约了制备成本。另一方面，本发明中涉及的蠕变测试装置，可大幅减少FRP蠕变测试所占用的空间，能同时开展多组测试，提高了FRP蠕变性能测试的效率。
附图说明
图1为本发明中蠕变测试装置的立体图；
图2为本发明中浸胶纱锚固端和夹具示意图；
图3为采用本发明方法得到的FRP蠕变曲线。
图中：1、测试架；2、夹具；3、百分表；4、第一螺杆；5、顶板；6、第一螺母；7、U形架；8、千斤顶；9、第一立板；10、第二螺母；11、顶压弹簧；12、第二螺杆；13、第三螺母；14、浸胶纱自由段；15、浸胶纱锚固段；16、夹具内表面；17、螺栓孔。
具体实施方式
参照图1所示，本发明纤维增强复合材料(FRP)蠕变性能测试装置，主要由测试架1和拉伸组件构成。测试架1的内部设置有两个夹具2，可以对FRP的两端夹持。浸胶纱、夹具的示意图如图2，浸胶纱制备过程中，在其未固化时，在锚固段用压板施加压力，使锚固端形成图2所示的扁平扩大头，增大锚固段与夹具的接触面。在夹具内表面16，加工有图2所示的网格状纹路，目的是增大夹具和浸胶纱接触面的摩擦系数。需要注意的是，螺栓孔17不得穿过浸胶纱锚固段15。
拉伸组件包括第一螺杆4和第二螺杆12，测试架1的两侧对称开设有和第一螺杆4以及第二螺杆12相适配的安装孔。第一螺杆4和第二螺杆12相互靠近的一端均安装有夹具2。
第一螺杆4的外壁通过螺纹配合安装有第一螺母6，千斤顶8的远离第一螺母6的一端固定安装用第一立板9，用于张拉时对千斤顶提供反力。第一立板9靠近千斤顶8的一端固定安装有用于测量千斤顶8压力的压力传感器。顶板5用于承受U形架7的压力，U形架7的内表面开设有和第一螺杆4相适配的通孔，千斤顶8的一端和U形架7的外表面固定连接。第二螺杆12的外壁套接有第二立板，第二立板靠近测试架1的一侧固定安装有顶压弹簧11，顶压弹簧11的另一端和测试架1的外表面固定连接。
采用千斤顶张拉时，第二螺杆12向靠近第一螺杆4的方向移动，此时顶压弹簧11受力压缩，并对第二螺杆12提供一个持续向远离第一螺杆4方向移动的推力，便可以实现对浸胶纱施加长期应力的目的。第二螺杆12的外壁通过螺纹配合安装有用于对自身限位的第三螺母13，第三螺母13位于第二立板远离顶压弹簧11的一侧。张拉完成后，拧紧第一螺母6，以实现对FRP施加长期应力的目的。
测试架1的内表面固定百分表3，用于测量夹具2移动距离，百分表3的测量端和靠近第二螺杆12的夹具2一端相互贴合，通过百分表3可以测量夹具2的移动距离，进而得到FRP蠕变变形。
蠕变测试结束后，需要对测量数据进行处理，处理方式分为：粗略测试和精准测试。
对于蠕变性能粗略测试，蠕变应变可直接取百分表的测量结果。对于蠕变性能精准测试，需在百分表的测量结果基础上，采用分步法进行蠕变应变修正，计算步的结束时间分别取1min、3min、6min、9min、15min、30min、45min以及1h、1.5h、2h、4h、10h、24h、48h、72h、96h和120h，此后每120h取一次，直至测试时间结束。考虑蠕变试验期间每一计算步中弹簧变形造成的应力降低，对每一计算步的蠕变应变修正按下式进行：
其中，Δεi’为第i个计算步修正后的蠕变应变；Δεi为第i个计算步的蠕变应变测量值，该值等于夹具位移与浸胶纱自由段初始长度的比值；ΔL0为弹簧的初始伸长量；ΔLi为弹簧在第i个计算步的伸长量，该值等于ΔL0与夹具位移的差值。
需要注意的是，由于上述修正方法的基本假定是FRP始终处于线性蠕变阶段，即每个计算步中的FRP蠕变应变与其应力成正比，因此，FRP长期应力不得大于其在蠕变测试时间内的蠕变断裂应力。
发明人以玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)和碳纤维增强复合材料(CFRP)为对象，采用本发明中的方法，以0.5倍极限强度的应力为初始张拉应力，开展了为期40天的蠕变测试，测试结果如图3。图中，虚线代表百分表实测值，实线为修正值。可以看出，该数据处理方法有效地考虑了长期应力随弹簧变形的降低，能够实现蠕变性能精准测试。另一方面，由于K·δ不超过张拉力的10％，因弹簧变形导致的蠕变应变误差(即虚、实线之间的误差)在10％以内。所以，百分表实测值可直接用于蠕变性能的粗略测试。
Claims (9)
1.一种纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，其特征在于：包括蠕变测试反力架(1)、夹具(2)、位移测量仪(3)、第一螺杆(4)、顶板(5)、U形架(7)、千斤顶(8)、第一立板(9)、第二立板、顶压弹簧(11)以及第二螺杆(12)；所述第一螺杆(4)和第二螺杆(12)水平设置在所述蠕变测试反力架(1)的两侧，所述第一螺杆(4)和第二螺杆(12)的内端位于所述蠕变测试反力架(1)内，所述第一螺杆(4)和第二螺杆(12)的外端位于所述蠕变测试反力架(1)外；在所述第一螺杆(4)和第二螺杆(12)的内端分别设置一个所述夹具(2)；所述顶板(5)、U形架(7)以及第一立板(9)依次设置在所述第一螺杆(4)上，所述顶板(5)固定在所述蠕变测试反力架(1)上；所述第一立板(9)位置可调的固定在所述第一螺杆(4)的外端，所述千斤顶(8)设置在所述U形架(7)和第一立板(9)之间；所述第二立板位置可调的固定在所述第二螺杆(12)的外端，所述顶压弹簧(11)套在所述第二螺杆(12)上，并位于所述蠕变测试反力架(1)与第二立板之间；所述位移测量仪(3)设置在所述第二螺杆(12)连接的夹具上。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，其特征在于：所述顶压弹簧(11)的弹簧劲度系数K与蠕变期间弹簧长度变化量δ的乘积不大于所述千斤顶(8)加载的张拉力的10％，δ可通过试探试验或理论计算初步确定。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，其特征在于：采用一种摩擦型夹具对浸胶纱进行锚固，夹具内表面有网格状纹路，保证长期蠕变试验中浸胶纱与夹具之间不发生滑移；在浸胶纱未固化时，将其锚固段压制成扁平状，再进行固化，以保证浸胶纱与夹具之间的锚固效果。
4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，其特征在于：所述位移测量仪为百分表。
5.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，其特征在于：在所述顶板外侧设置有用于将顶板固定在所述蠕变测试反力架(1)外的第一螺母(6)。
6.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，其特征在于：在所述第一立板(9)的外侧设置有第二螺母(10)。
7.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料蠕变性能测试装置，其特征在于：在所述第二立板外设置有用于调节第二立板安装位置的第三螺母(13)。
8.一种基于权利要求1-7任一所述纤维增强复合材料蠕变性能测试装置的测试方法，其特征包括：
将浸胶纱固定在第一螺杆和第二螺杆的夹具之间；
通过千斤顶施加张拉力，通过位移测量仪测量位于第二螺杆上的夹具的位移；
对位移测量仪获取的位移进行修正：
其中，Δεi’为第i个计算步修正后的蠕变应变；Δεi为第i个计算步的蠕变应变测量值，该值等于夹具位移与浸胶纱自由段初始长度的比值；ΔL0为顶压弹簧的初始伸长量；ΔLi为顶压弹簧在第i个计算步的伸长量，该值等于ΔL0与夹具位移的差值。
9.根据于权利要求8所述的测试方法，其特征在于，计算步的结束时间分别取1min、3min、6min、9min、15min、30min、45min以及1h、1.5h、2h、4h、10h、24h、48h、72h、96h和120h，此后每120h取一次，直至测试时间结束。
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