CN212159374U - Ct试验组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种CT试验组件，用于测试复合材料的断裂韧性，其中，上夹具的第一侧块和第二侧块通过第一凸台与第一凹槽插接而定位，并且通过紧固件固定，楔形块的上端具有插块，下端具有楔形形状的头部，楔形块被第一侧块和第二侧块夹持，并且插块与第一凸台的插槽插接，下夹具的第三侧块和第四侧块通过第二凸台与第二凹槽插接而定位，并且通过紧固件固定；CT试样的上端具有预制裂纹，放置于第二凸台上并且被第三侧块和第四侧块夹持，楔形块的头部对准CT试样的预制裂纹；上夹具设置成可通过导向孔引导而相对于下夹具上下活动。上述CT试验组件可以在在施加压缩载荷进行CT试验的同时，装拆方便。

Description

CT试验组件

技术领域

本实用新型涉及复合材料性能测试设备，特别地，涉及一种CT试验组件。

背景技术

在航空航天领域，复合材料特别是纤维增强复合材料近年来得到广泛的应用。在复合材料的实际生产和服役过程中，常常会遇到冲击载荷的作用，而且，很多复合材料部件或层合板会进行打孔处理，甚至具有各种裂缝或缺口，复合材料会容易因前述的冲击载荷而损伤，而在前述的孔、裂缝或缺口附近的应力集中现象又会造成裂纹的扩展以及损伤的扩大，进一步造成部件性能降低，例如，承载能力或强度大幅下降。因而需要研究复合材料在载荷作用下的力学性能，例如断裂韧性。

在复合材料的裂纹扩展过程会伴随产生诸多现象，因而需要考虑合适的试验方法以此准确地评估复合材料真正的裂纹扩展和断裂行为。紧凑拉伸(Compact Tension，CT)试验可以较好地获得复合材料特别是纤维增强复合材料的断裂韧性，例如，可以根据GB-T6398中推荐的标准CT试样来进行一类裂纹的扩展速率的试验研究。

常规的CT试验中，通过销钉孔施加轴向的疲劳载荷，在预制裂纹的位置产生应力集中，引起裂纹的萌生和扩展。然而，在施加拉-压疲劳载荷时，由于复合材料扩展裂纹所需的载荷与材料的拉伸强度成正比，对于压缩强度与拉伸强度比相对较低的材料往往容易在试验件或试样后部过早地发生面外屈曲，因而无法获得预期的材料性能，而且常规的CT试样通常会在夹持端开孔，因此不可避免的会在孔周围或其他近孔处发生局部压缩破坏，也导致无法准确获得材料的断裂韧度等性能。

发明人分析认为，可以通过施加压缩载荷来代替拉伸加载，以此进行复合材料CT试验。然而，如何设计CT试验组件，可以在施加压缩载荷进行CT试验的同时装拆方便，是需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种CT试验组件，可以在在施加压缩载荷进行CT试验的同时，装拆方便。

本实用新型提供一种CT试验组件，用于测试复合材料的断裂韧性，其中，上夹具包括第一侧块和第二侧块，所述第一侧块和所述第二侧块分别具有相对的第一表面和第二表面，所述第一侧块和所述第二侧块在所述第一表面和所述第二表面分别设置有第一凸台和第一凹槽，所述第一侧块和所述第二侧块通过所述第一凸台与所述第一凹槽插接而相对于彼此定位，并且通过紧固件穿过所述第一表面和所述第二表面而相对于彼此固定，所述第一凸台具有插槽；楔形块的上端具有插块，下端具有楔形形状的头部，所述楔形块被所述第一表面和所述第二表面夹持，并且通过所述插块与所述插槽插接而连接到所述第一凸台；下夹具包括第三侧块和第四侧块，所述第三侧块和所述第四侧块分别具有相对的第三表面和第四表面，所述第三侧块和所述第四侧块在所述第三表面和所述第四表面分别设置有第二凸台和第二凹槽，所述第三侧块和所述第四侧块通过所述第二凸台与所述第二凹槽插接而相对于彼此定位，并且通过紧固件穿过所述第三表面和所述第四表面而相对于彼此固定；CT试样的上端具有预制裂纹，放置于所述第二凸台上并且被所述第三表面和所述第四表面夹持，所述楔形块的头部对准所述CT试样的预制裂纹；其中，所述上夹具和所述下夹具中，一方设置有导向孔，另一方设置有导向柱，所述导向柱插入所述导向孔，所述上夹具设置成可通过所述导向孔引导而相对于所述下夹具上下活动。

上述CT试验组件中，上夹具和下夹具皆采用分体式结构，通过凸台和凹槽插接来定位，又通过紧固件来固定，安装或拆除上夹具和下夹具时都十分便利；而且，其中，楔形块通过插块和插槽插接来实现与上夹具的连接，并且由上夹具的第一侧块和第二侧块夹持，CT试样也通过下夹具的第三侧块和第四侧块夹持，安装和拆除楔形块、CT试样时也十分便利。

在一个实施方式中，所述CT试验组件具有厚度方向，其中，所述第一表面和所述第二表面在厚度方向上相对；所述第一凸台的所述插槽上宽下窄，所述楔形块的插块沿着厚度方向插入所述插槽中。

在一个实施方式中，所述第二凸台设置有中心定位槽，通过使所述CT试样的中线对准中心定位槽，实现对所述CT试样的定位。

在一个实施方式中，所述第一凸台的横截面为矩形；和/或，所述第二凸台的横截面为矩形。

在一个实施方式中，所述导向孔设置于所述上夹具，而所述导向柱设置于所述下夹具。

在一个实施方式中，所述第一侧块和所述第二侧块的下表面分别设置有一个所述导向孔；所述第三侧块和所述第四侧块的上表面分别设置有一个所述导向柱；所述第三侧块的导向柱插入所述第一侧块的导向孔，而所述第四侧块的导向柱插入所述第二侧块的导向孔。

在一个实施方式中，所述第一侧块和所述第二侧块的导向孔均为通孔。

在一个实施方式中，所述楔形块的所述头部的底端具有倒圆。

在一个实施方式中，所述CT试验组件具有高度方向、宽度方向和厚度方向，其中，所述第一表面和所述第二表面在厚度方向上相对；所述CT试验组件在宽度方向上对称设置。

在一个实施方式中，所述第一凹槽的上端侧为开放侧；和/或，所述第二凹槽的下端侧为开放侧。

上述CT试验组件中，可以通过楔形块向具有预制裂纹的CT试样施加压缩载荷，进行CT试验，从而测试复合材料的断裂韧性。

上述CT试验组件整体装拆方便，夹具更换也便捷，可以有效提高试验准备效率。采用上述CT试验组件进行CT试验时，对于不同尺寸的CT试样，只需要更换不同尺寸的楔形块即可满足试验需求，因此，对尺寸的适应性强。而且，上述CT试验组件结构简单，零件数量少，可以大幅降低试验成本，同时显著提高试验结果的可靠性。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是CT试验组件的分解视图。

图2是CT试验组件中第一侧块、第三侧块与CT试样配合时的示意图。

图3是组装完成的CT试验组件的立体视图。

图4是图3的CT试验组件的另一立体视图。

图5是楔形块的立体视图。

图6是楔形块的主视图。

图7是楔形块的侧视图。

图8是紧固件的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本实用新型的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一特征和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一特征和第二特征之间可以不直接联系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一元件和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一元件和第二元件间接地相连或彼此结合。

本实用新型的CT试验组件10的总体构造如图1所示，CT试验组件10可以测试复合材料的断裂韧性。CT试验组件10具有高度方向H1、宽度方向W1和厚度方向T1。高度方向H1也即上下方向。需要理解，为了方便描述，文中可能使用诸如“下”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中示出的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。需要理解，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的元件或组件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的组件，则被描述为在其他元件或特征“下”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征“上”，因此，应相应地解释文中使用的空间关系描述词。

CT试验组件10包括上夹具20和下夹具30，其中，上夹具20相对于下夹具30可以上下活动。图1中，上夹具20和下夹具30中，一方设置有导向孔12，另一方设置有导向柱32例如销钉，导向柱32插入导向孔12，上夹具20设置成可通过导向孔12引导而相对于下夹具30上下活动。

上夹具20包括第一侧块1和第二侧块2。第一侧块1和第二侧块2分别具有相对的第一表面11和第二表面21。第一侧块1和第二侧块2在第一表面11和第二表面21分别设置有第一凸台15和第一凹槽25。第一侧块1和第二侧块2通过第一凸台15与第一凹槽25插接而相对于彼此定位，并且通过紧固件52穿过第一表面11和第二表面21而相对于彼此固定。例如，第二侧块2设置光孔，而第一侧块1设置螺孔51，紧固件52穿过第二侧块2的光孔而与第一侧块1的螺孔51螺纹接合，从而将第一侧块1和第二侧块2固定连接在一起。CT试验组件10中，第一表面11和第二表面21在厚度方向T1上相对。

与上夹具20类似地，下夹具30包括第三侧块3和第四侧块4。第三侧块3和第四侧块4分别具有相对的第三表面31和第四表面41。第三侧块3和第四侧块4在第三表面31和第四表面41分别设置有第二凸台35和第二凹槽45。第三侧块3和第四侧块4通过第二凸台35与第二凹槽45插接而相对于彼此定位，并且通过紧固件54穿过第三表面31和第四表面41而相对于彼此固定。例如，第四侧块4设置光孔，而第三侧块3设置螺孔53，紧固件54穿过第四侧块4的光孔而与第三侧块3的螺孔53螺纹接合，从而将第三侧块3和第四侧块4固定连接在一起。

CT试验组件10还包括楔形块6和CT试样7。

图5至图7示出了楔形块6的示例构造。结合图1，楔形块6的上端具有插块61，下端具有楔形形状的头部62。楔形块6被第一侧块1的第一表面11和第二侧块2的第二表面21夹持。而且，上夹具20的第一侧块1的第一凸台15具有插槽16，楔形块6通过上端的插块16与第一凸台15的插槽16插接而连接到第一凸台15。参见图2，第一凸台15的插槽16可以上宽下窄，换言之，上部具有较宽的宽槽161，而下部具有较窄的窄槽162，图示实施方式中，插槽16的宽槽161可以与楔形块6的插块61的形状大致一致，从而与插块61适配。楔形块6的插块61可以沿着厚度方向T1插入第一凸台15的插槽16中。这样，通过紧固件52固定第一侧块1和第二侧块2以后，可以将楔形块6的插块61锁固于插槽16，并且通过第一表面11和第二表面21夹持。

结合图1和图2，CT试样7的上端具有预制裂纹71，放置于第二凸台35上并且被第三表面31和第四表面41夹持，楔形块6的头部62对准CT试样7的预制裂纹71。预制裂纹71可以是V形槽，楔形块6的楔形形状的头部62可以与V形槽对中，试验过程中，楔形块6的头部62的斜面可以与作为预制裂纹71的V形槽的斜面接触。

在复合材料的常规CT试验过程中，试样中会设计有拉伸孔，而由于拉伸孔的设计和制造，导致在拉伸加载的过程中，拉伸孔附近容易提前发生破坏，从而无法获得有效的材料断裂韧性。而通过采用上述CT试验组件10，可以通过上夹具20相对于下夹具30向下移动来使得楔形块6对CT试样7施加压缩载荷，不需要设计拉伸孔，可以使得复合材料的CT试验过程只发生主裂纹自主扩展，有效抑制基体开裂、纤维与基体的脱粘、纤维拔出和断裂等现象的发生，也即，对试样的破坏模式单一，从而能够保证获得的试验数据真实有效，特别是对于压缩强度显著低于拉伸强度的复合材料，可以准确测定断裂韧度。

而且上述CT试验组件10中，上夹具20和下夹具30皆采用分体式结构，通过凸台15、35和凹槽25、45插接来定位，又通过紧固件52、54来固定，安装或拆除上夹具20和下夹具30时都十分便利。而且，上述CT试验组件10中，楔形块6通过插块61和第一凸台15的插槽16插接来实现与上夹具20的连接，并且由上夹具20的第一侧块1和第二侧块2夹持，CT试样7也通过下夹具30的第三侧块3和第四侧块4夹持，安装和拆除楔形块6、CT试样7时也十分便利。因而上述CT试验组件10的整体装拆方便快捷，操作性强，可以大幅提高试验准备效率。

上述CT试验组件10的结构简单，零件数量少，可以降低成本。而且，可以适用于不同尺寸的CT试样，夹具更换也十分便捷。

另外，上述CT试验组件10中，通过导向柱32和导向孔12的配合，可以保证在整个加载过程中，加载轴线保持不变，而且，通过下夹具30对CT试样7进行夹持固定，可以有效避免试验过程中的偏心问题，从而保证获得的试验数据真实有效，显著提高试验结果的可靠性，降低试验失败概率，减少重复试验的次数，降低试验成本。

图1至图4所示的实施方式中，导向孔12设置于上夹具20，而导向柱32设置于下夹具30。进一步，图示实施方式中，第一侧块1和第二侧块2的下表面13、23分别设置有一个导向孔121、122，而第三侧块3和第四侧块4的上表面34、44分别设置有一个导向柱323、324。第三侧块3的导向柱323插入第一侧块1的导向孔121，而第四侧块4的导向柱324插入第二侧块2的导向孔122。图示实施方式中，第一侧块1和第二侧块2的导向孔121、122可以均为通孔，换言之，第一侧块1的导向孔121从第一侧块1的下表面13穿通到上表面14，第二侧块2的导向孔122从第二侧块2的下表面23穿通到上表面24。图示实施方式中，导向孔12为圆孔，而导向柱32为圆柱。

参见图2，第二凸台35可以设置有中心定位槽36。可以通过使CT试样7的中线对准中心定位槽36，实现对CT试样7的定位。CT试样7的中线例如可以在实验时根据需要进行手画，然后根据该中线进行手动对中。

参加图1，第一凹槽25的上端侧可以为开放侧。第二凹槽45的下端侧也可以为开放侧。这样，第一凸台15和/或第二凸台35可以沿高度方向H1分别从上方和/或下方插入第一凹槽25和/或第二凹槽45。

参见图2，第一凸台15的横截面可以为矩形。第二凸台35的横截面也可以为矩形。这样第一凸台15和/或第二凸台35可以沿厚度方向T1分别插入第一凹槽25和/或第二凹槽45，定位更加方便。

参见图5和图6，楔形块6的头部62的底端可以具有倒圆621。采用底端半圆的楔形块6并施加压缩载荷替代拉伸加载，试样受载面积大，可以避免试样拉伸孔附近发生弯曲和面外剪切破坏。

图8以紧固件52为示例，示出了紧固件52、54的示例构造。紧固件52可以是紧固螺栓，上端具有螺栓内六角522，方便拧紧，下端具有螺纹段521，可以插入相应的螺孔，或者与对应的紧固螺母配合连接。紧固件52还可以具有螺栓垫片520，使用螺栓垫片520可以保证连接的质量。

参见图1至图4，CT试验组件10可以在宽度方向W1上对称设置。换言之，CT试验组件10可以具有垂直于宽度方向W1的对称面。

结合图1和图2，CT试样7可以设计成通过矩形平板形式的复合材料试样去除底端的两个拐角(如，拐角72)来形成，可以称之为类梯形试样。常规CT试验时，通常采用矩形试样设置拉伸孔的形式，而高韧性大厚度的复合材料试样在CT试验过程中，试样容易在后部过早地发生面外屈曲，从而无法获得有效的材料断裂韧性。相比于常规CT试验中使用的矩形试样，在CT试验组件10中采用图1和图2中的CT试样7并且通过楔形块6施加压缩载荷时，CT试样7底部的压缩应力较小，可以避免因压缩强度较低试样后部过早地发生面外屈曲，从而真正有效地获得材料的断裂韧性，有助于解决工业界高韧性复合材料在载荷作用下力学性能的测量问题。仿真结果显示，通过采用图示的包括CT试样7的CT试验组件10，CT试样7的应力分布是对称的，裂纹尖端拉应力集中远大于压应力分布，可以实现试样在不压缩破坏的前提下，裂纹尖端拉伸断裂裂纹往前扩展。

实际进行CT试验时，可以分别组装CT试验组件10的上夹具20与下夹具30，并且连接楔形块6和特制的CT试样7。下面示例性地示出实际的组装、操作方法。

可以将第一侧块1与第三侧块3通过导向孔121和导向柱323相连；将第二侧块2与第四侧块4通过导向孔122和导向柱323相连。

将楔形块6的插块61塞入第一侧块1的第一凸台15的插槽16中，可以保证楔形块6与插槽16的相应表面相切，楔形块6的中线可以与插槽16的中线在一条直线上。

将CT试样7垂直放置在第二凸台35上，CT试样7的预制裂纹71的开口处对准楔形块6，通过中心定位槽36和第三侧块3、第四侧块4对CT试样7进行限位固定，并保证楔形块6能竖直插入CT试样7的预制裂纹71中。

实际操作时，可以在与CT试样7接触的侧块的表面诸如31、41、11、21等上涂上润滑脂，便于CT试样7后续的自由变形。

可以将相连的第一侧块1、第三侧块3与相连的第二侧块2和第四侧块4通过紧固件52、54连接，第一侧块1和第二侧块2组成上夹具20，第三侧块3和第四侧块4组成下夹具30。

可以将拉力试验机载荷清零，然后将组装好的整个CT试验组件10放进准拉力试验机中。

通过试验机对整个CT试验组件10与其中的CT试样7施加轴向压缩载荷，，消除紧固件与螺孔、导向柱与导向孔之间的间隙。可以要求拉力机对整个CT试验件组件施加的拉力不大于试验中的预紧力，且不影响试验结果。在整个CT试验组件10受拉的情况下，拧紧紧固件52，顶住插槽16和楔形块6的插块61的表面；拧紧紧固件54，第二凸台35顶住第二凹槽45，第三侧块3和第四侧块4将CT试样7夹紧。静态拉伸/压缩试验机压缩载荷卸载至零，CT试验组件10的安装完成。

根据相应的试验方法，开展试验。当疲劳机施加压缩载荷时，上夹具20通过插槽16带动楔形块6沿着CT试样7的预制裂纹71的中线以一定的速度运动。由准静态拉伸/压缩试验机提供压缩载荷并控制CT试验组件10的上夹具20连带楔形块6楔入CT试样7的预制裂纹71的速度和位移，控制加载在CT试样7上的载荷大小，确保试验过程中CT试样7或者整个CT试验组件10的中线始终与加载中线保持一致，可以有效控制裂纹的扩展速度和扩展路径，从而可以真正有效地考察材料的裂纹扩展能力。

然后，可以根据试验结果，通过计算，获得复合材料的断裂韧度。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种CT试验组件，用于测试复合材料的断裂韧性，其特征在于，包括：

上夹具，包括第一侧块和第二侧块，所述第一侧块和所述第二侧块分别具有相对的第一表面和第二表面，所述第一侧块和所述第二侧块在所述第一表面和所述第二表面分别设置有第一凸台和第一凹槽，所述第一侧块和所述第二侧块通过所述第一凸台与所述第一凹槽插接而相对于彼此定位，并且通过紧固件穿过所述第一表面和所述第二表面而相对于彼此固定，所述第一凸台具有插槽；

楔形块，上端具有插块，下端具有楔形形状的头部，所述楔形块被所述第一表面和所述第二表面夹持，并且通过所述插块与所述插槽插接而连接到所述第一凸台；

下夹具，包括第三侧块和第四侧块，所述第三侧块和所述第四侧块分别具有相对的第三表面和第四表面，所述第三侧块和所述第四侧块在所述第三表面和所述第四表面分别设置有第二凸台和第二凹槽，所述第三侧块和所述第四侧块通过所述第二凸台与所述第二凹槽插接而相对于彼此定位，并且通过紧固件穿过所述第三表面和所述第四表面而相对于彼此固定；

CT试样，上端具有预制裂纹，放置于所述第二凸台上并且被所述第三表面和所述第四表面夹持，所述楔形块的头部对准所述CT试样的预制裂纹；

其中，所述上夹具和所述下夹具中，一方设置有导向孔，另一方设置有导向柱，所述导向柱插入所述导向孔，所述上夹具设置成可通过所述导向孔引导而相对于所述下夹具上下活动。

2.如权利要求1所述的CT试验组件，其特征在于，

所述CT试验组件具有厚度方向，其中，所述第一表面和所述第二表面在厚度方向上相对；

所述第一凸台的所述插槽上宽下窄，所述楔形块的插块沿着厚度方向插入所述插槽中。

3.如权利要求1所述的CT试验组件，其特征在于，

所述第二凸台设置有中心定位槽，通过使所述CT试样的中线对准中心定位槽，实现对所述CT试样的定位。

4.如权利要求1所述的CT试验组件，其特征在于，

所述第一凸台的横截面为矩形；和/或

所述第二凸台的横截面为矩形。

5.如权利要求1所述的CT试验组件，其特征在于，

所述导向孔设置于所述上夹具，而所述导向柱设置于所述下夹具。

6.如权利要求5所述的CT试验组件，其特征在于，

所述第一侧块和所述第二侧块的下表面分别设置有一个所述导向孔；

所述第三侧块和所述第四侧块的上表面分别设置有一个所述导向柱；

所述第三侧块的导向柱插入所述第一侧块的导向孔，而所述第四侧块的导向柱插入所述第二侧块的导向孔。

7.如权利要求6所述的CT试验组件，其特征在于，

所述第一侧块和所述第二侧块的导向孔均为通孔。

8.如权利要求1所述的CT试验组件，其特征在于，

所述楔形块的所述头部的底端具有倒圆。

9.如权利要求1所述的CT试验组件，其特征在于，

所述CT试验组件具有高度方向、宽度方向和厚度方向，其中，所述第一表面和所述第二表面在厚度方向上相对；

所述CT试验组件在宽度方向上对称设置。

10.如权利要求1所述的CT试验组件，其特征在于，

所述第一凹槽的上端侧为开放侧；和/或

所述第二凹槽的下端侧为开放侧。

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