CN211602747U - 一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，包括下压梁组件和上压梁组件，下压梁组件包括下连接件、下压梁、试样定位器和下压头，下连接件的上端与下压梁的下表面固定连接，下压梁上方的一侧设置有试样定位器，另一侧设置有下压头，试样置于下压头上方，并由试样定位器进行定位；上压梁组件包括上连接件、上压梁和上压头，上连接件的下端与上压梁的上表面固定连接，上压梁的下方设置有上压头，上压头位于试样的上方。本实用新型的优点在于：填补了国内厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置的空白，以满足中温400℃以下材料力学性能测试的需求。

Description

一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置

技术领域

本实用新型涉及厚截面复合材料面力学性能测试技术领域，特别是一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置。

背景技术

材料作为有用的物质，大多数在于它的使用性能，特别是针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。材料的力学性能主要是指材料抵抗各种外加载荷的能力，其中包括：弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度等等，它们是衡量材料性能极其重要的指标。在工程中，材料力学性能的测试和表征是结构设计优化、强度校核的必要条件。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，包括下压梁组件和上压梁组件，

所述下压梁组件包括下连接件、下压梁、试样定位器和下压头，所述下连接件的上端与下压梁的下表面固定连接，所述下压梁上方的一侧设置有试样定位器，另一侧设置有下压头，试样置于下压头上方，并由试样定位器进行定位；

所述上压梁组件包括上连接件、上压梁和上压头，所述上连接件的下端与上压梁的上表面固定连接，所述上压梁的下方设置有上压头，所述上压头位于试样的上方。

进一步地，所述下连接件和所述上连接件均为双头螺栓。

进一步地，所述下压梁与所述上压梁相互垂直。

进一步地，所述下压头和所述上压头均为球头压头。

进一步地，所述下压头与下压梁的装配形位公差为0.02mm，所述上压头与上压梁的装配形位公差为0.02mm。

本实用新型具有以下优点：

1、填补国内厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置的空白，以满足中温400℃以下材料力学性能测试的需求。

2、本实用新型全用不锈钢制作，所有零组件形位公差极其严格。本实用新型专门设置试样定位器，保证只要试样加工规矩，不仅同批次试样测试结果具有可比性，甚至不同批次不同厚度、不同材质试样测试结果都具有可比性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中A向视图；

图3为本实用新型的下压梁组件的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为本实用新型的有限元模型修正法反演流程图；

图6为本实用新型的试样三维有限元模型；

图中：1-下压梁组件，1a-下连接件，1b-下压梁，1c-试样定位器，1d-下压头，2-上压梁组件，2a-上连接件，2b-上压梁，2c-上压头，3-试样。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1至图4所示，一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，包括下压梁组件1和上压梁组件2，

所述下压梁组件1包括下连接件1a、下压梁1b、试样定位器1c和下压头 1d，所述下连接件1a的上端与下压梁1b的下表面固定连接，所述下压梁1b上方的一侧设置有试样定位器1c，另一侧设置有下压头1d，试样3置于下压头1d 上方，并由试样定位器1c进行定位；

所述上压梁组件2包括上连接件2a、上压梁2b和上压头2c，所述上连接件2a的下端与上压梁2b的上表面固定连接，所述上压梁2b的下方设置有上压头 2c，所述上压头2c位于试样3的上方。

进一步地，所述下连接件1a和所述上连接件2a均为双头螺栓。

进一步地，所述下压梁1b与所述上压梁2b相互垂直。

进一步地，所述下压头1d和所述上压头2c均为球头压头，避免做厚截面复合材料面外剪切力学性能测试时压头与试样接触处先压坏，因此结构上选择球头作压头，使得此处挤压应力适度。

进一步地，所述下压头1d与下压梁1b的装配形位公差为0.02mm，所述上压头2c与上压梁2b的装配形位公差为0.02mm。

所述的一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、测试装置组装；

S2、将试样3置于下压头1d上，并通过试样定位器1c进行定位；

S3、如图5和图6所示，采用有限元模型修正技术识别正交各向异性复合材料面外剪切本构关系参数，包括面外剪切模量G以及剪切非线性参数K和n，识别过程的初值通过材料力学计算应力和数字图像相关方法实测应变数据在假定的本构关系式中通过最小二乘回归得到，采用实测应变与有限元数值计算应变之间的方差建立目标函数，通过最小化目标函数同时获得材料本构关系中的多个力学参数。

进一步地，步骤S1中包括上压梁组件1的组装子步骤和下压梁组件2的组装子步骤；

上压梁组件1的组装子步骤为：先将上压梁2b中间缺口朝下，然后将上压头2c带球头端朝下，带圆柱凸肩一端朝上，对正上压梁2b两端的孔中，用螺栓将上压梁2b与上压头2c拧紧固定，检查上压梁2b的上表面至上压头2c的下端之间的距离L1满足公差±0.05mm，否则互换上压头2c或调整螺栓的拧紧力矩或修磨上压头2c的圆柱凸肩，然后上连接件2a的小头朝下，预先拧上螺母，对正上压梁2b中间的螺孔，拧入深度大于15mm，最后将另一颗螺母拧在上连接件2a上端的螺纹上；

下压梁组件2的组装子步骤为：先将下压梁1b中间缺口朝上，然后将下压头1d带球头端朝上，带圆柱凸肩一端朝下，对正下压梁1b两端的孔中，用螺栓将下压梁1b与下压头1d拧紧固定，检查下压梁1b的下表面至下压头1d的上端之间的距离L2满足公差±0.05mm，否则互换下压头1d或调整螺栓的拧紧力矩或修磨下压头1d的圆柱凸肩，然后用下连接件1a的小头朝上，预先拧上螺母，对正下压梁1b中间的螺孔，拧入深度大于15mm，再将预先拧上螺母锁紧，将另一颗螺母拧在下连接件2a下端的螺纹上，最后用螺栓将试样定位器1c 固定在下压梁1b上。

上压梁组件1和下压梁组件2分别组装好后，通过上连接件1a将上压梁组件1装在疲劳机的上侧，通过下连接件2a将上压梁组件2装在疲劳机的下侧。

进一步地，步骤S3的具体操作步骤为：

S31、通过数字图像相关技术获得试样表面剪切应变数据，用来与有限元数值计算应变数据构造目标函数，实验实测数据为构建目标函数的基础；

S32、根据与试验中相同的边界条件和加载历程，建立三维非线性有限元模型，模型中考虑几何非线性、材料非线性和接触非线性；模型中压头解析刚体均为半球面，且与半球面形心处的参考点建立了运动耦合约束，并在参考点上定义了位移边界条件，约束了上表面支撑柱的平动自由度和转动自由度；约束了下压头的3个转动自由度和x、y方向的平动自由度，即压头仅可产生沿z方向竖直向上的刚体位移，载荷施加在压头参考点位置处，为竖直向上的集中力；

S33、通过在模型中引入用户子程序UMAT，代入材料各个主平面内的剪切性本构关系，本构关系式为：

其中f(τ)＝τ/G+(τ/k)ⁿ，即UMAT中采用Ramberg-Osgood表征正交各向异性复合材料面外剪切非线性本构关系，

式(I)中ε_ii,i＝1,2,3表示正应变分量，γ_ij,i,j＝1,2,3,i≠j代表工程剪切应变分量，σ_ii,i＝1,2,3表示正应力分量，τ_ij,i,j＝1,2,3,i≠j代表剪切应力分量。E_i(i＝1，2，3) 代表沿材料主方向的弹性模量，ν_ij,i,j＝1,2,3,i≠j代表单独在i方向上作用正应力σ_i而无其他应力分量时，j方向正应变与i方向正应变之比的负值，即称为泊松比， f(τ)中的G为剪切模量，k和n分别表示用于描述剪切非线性行为的本构参数；

S34、通过在有限元模型中引入材料供应商提供的本构参数计算获得试样表面的应力分布和应变数据，将有限元数值计算应变数据和DIC实测应变数据组成目标函数，目标函数表达式为：

式中其中代表一系列的未知材料参数，M是每张图片中ROI区域内包含的有限元模型节点数，这里的ROI区域包含试样左右两边的两个区域，N是有限元模型中的加载步的数量，即对应着实验过程中数字图像相关方法设备采集到的试样失效前的图片数量，为得到复合材料非线性应力应变本构关系及参数，识别过程中考虑了试样从开始加载到85％失效载荷的整个加载历程，ε_i ^num和ε_i ^DIC分别表征在节点i处的FEM数值计算应变和数字图像相关方法实测应变；

S35、针对识别过程定义收敛条件，并在迭代过程中在有限元模型中代入更新的本构参数，得到正确的识别结果。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，其特征在于：包括下压梁组件(1)和上压梁组件(2)，

所述下压梁组件(1)包括下连接件(1a)、下压梁(1b)、试样定位器(1c)和下压头(1d)，所述下连接件(1a)的上端与下压梁(1b)的下表面固定连接，所述下压梁(1b)上方的一侧设置有试样定位器(1c)，另一侧设置有下压头(1d)，试样(3)置于下压头(1d)上方，并由试样定位器(1c)进行定位；

所述上压梁组件(2)包括上连接件(2a)、上压梁(2b)和上压头(2c)，所述上连接件(2a)的下端与上压梁(2b)的上表面固定连接，所述上压梁(2b)的下方设置有上压头(2c)，所述上压头(2c)位于试样(3)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，其特征在于：所述下连接件(1a)和所述上连接件(2a)均为双头螺栓。

3.根据权利要求1所述的一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，其特征在于：所述下压梁(1b)与所述上压梁(2b)相互垂直。

4.根据权利要求1所述的一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，其特征在于：所述下压头(1d)和所述上压头(2c)均为球头压头。

5.根据权利要求2所述的一种厚截面复合材料面外剪切力学性能测试装置，其特征在于：所述下压头(1d)与下压梁(1b)的装配形位公差为0.02mm，所述上压头(2c)与上压梁(2b)的装配形位公差为0.02mm。

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