CN215727395U - 一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于陶瓷基复合材料(CMCs)四点弯曲力学实验装置，包括四点弯曲夹具，以及分别于四点弯曲夹具连接的声发射装置、数字图像相关技术(DIC)装置，其中陶瓷基复合材料缺口试样由四点弯夹具固定，四点弯夹具由钳口、弯曲梁、延伸杆三部分组成，该四点弯夹具的设计使得十字头的垂直运动通过杠杆机构转换为施加在垂直方向对陶瓷基复合材料缺口试样的弯矩。本实用新型优点：通过声发射技术和数字图像相关技术相结合，能直接获得材料在弯曲过程中损伤的起始和发展详细过程，并与声发射能量数据信号联系起来，具有实时性。
Description
技术领域
本实用新型涉及承力结构的力学试样研究技术领域，特别是涉及一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置。
背景技术
近年来，陶瓷基复合材料由于其出色的耐高温腐蚀、抗氧化、抗蠕变和高比强度等突出优点，引起各国研究者的广泛关注，各国研究者先后对该材料开展了大量的试验研究，以分析该材料复杂的失效机理，如美国的UEET计划、英国的AST计划、法国的ASTF计划、日本的AMG计划等。但是，陶瓷基复合材料所具有的高可设计性，以及纤维/基体等组分材料及其含量、几何结构等变量的微小变化都会使得材料在宏观尺度上成为全新的材料，这对于相关破坏理论的建立和相关材料数据库的积累都造成了很大的困难。因此，通过设计针对性力学实验装置——如四点弯曲实验装置；并开展相关特征模拟件的实验——不同类型缺口试样，来经济有效的对材料在弯曲载荷作用下的复杂失效行为进行表征，对实时原位监测材料的微观力学行为和变形损伤机制具有十分重要的意义。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲的力学实验装置，搭配相应的损伤监测装置——声发射、相应的三维全场应变测量装置——数字图像相关技术，能在实验过程中实现对多个参数进行原位测试，为陶瓷基复合材料制造生产的零部件，在性能及可靠性评估方面提供有效地实验方法和数据支持。
本实用新型提供了一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲的力学实验装置，包括四点弯曲夹具、声发射装置、DIC装置，以及陶瓷基复合材料缺口试样。
进一步地，所述四点弯曲夹具包括钳口、弯曲梁、延伸杆，所述声发射装置包含两个微型的传感器，传感器放置在陶瓷基复合材料缺口试样的两侧，用于检测声发射信号，传感器频带为200-2000kHz。传感器与陶瓷基复合材料缺口试样直接接触，并用固定夹定位，真空润滑脂作耦合剂。两个传感器都连接到一个前置放大器，以确保传感器和采集系统之间的最小信号损失；所述DIC装置包含两个高分辨率工业相机，能够在较大的视场范围内提供优良的细节捕捉能力，可以实现进行全场应变计算和结果显示；采集图像的同时，可以实时进行三维全场应变计算，支持计算结果的实时输出，具备实时性。
进一步地，所述钳口通过凸肩内的销钉孔与弯曲梁相连接，所述钳口的端部设有半圆弧凸台，半圆弧凸台与陶瓷基复合材料缺口试样紧密接触，从而有效的避免所述陶瓷基复合材料缺口试样在加载过程中发生偏转和滑移。
进一步地，所述弯曲梁与延伸杆通过铰链铰接，使得竖直方向所施加的荷载通过杠杆机构转换为施加在水平方向对陶瓷基复合材料缺口试样的弯矩，弯曲梁一端设有半圆弧凸台，半圆弧凸台与陶瓷基复合材料缺口试样紧密接触施加载荷。
进一步地，所述钳口和弯曲梁的半圆弧凸台置于对称位置，保证所述陶瓷基复合材料缺口试样受力均匀。
进一步地，所述延伸杆通过铰链与弯曲梁铰接，使得竖直方向所施加的荷载通过杠杆机构转换为施加在水平方向对陶瓷基复合材料缺口试样的弯矩。所述延伸杆的一侧架有两个高分辨率工业相机，通过追踪陶瓷基复合材料缺口试样表面的散斑图像，实现变形过程中物理表面三维坐标、位移场和应变场的测量，具有便携、高效高精度、操作简单的特点。
进一步地，所述陶瓷基复合材料缺口试样可根据不同实验要求设置不同缺口，如V型槽缺口、矩形缺口、圆弧缺口。陶瓷基复合材料缺口试样置于钳口与弯曲梁之间，跨距根据陶瓷基复合材料缺口试样尺寸大小可以自由调整，以抵消加载过程中夹具的变形。
本实用新型所具有的有益效果是，所述钳口通过凸肩内的销钉孔与弯曲梁相连接，所述钳口的端部设有半圆弧凸台，凸台圆弧与陶瓷基复合材料缺口试样紧密接触，从而有效的避免所述陶瓷基复合材料缺口试样在加载过程中发生偏转和滑移。所述钳口、弯曲梁的半圆弧凸台均置于对称位置，保证所述陶瓷基复合材料缺口试样受力均匀。通过声发射技术和数字图像相关技术相结合，对试件进行原位四点弯曲力学测试，对材料的微观变形和损伤演化过程进行原位观察，并通过载荷/位移信号的同步检测，结合相关算法，能直接获得材料在弯曲过程中损伤的起始和发展详细过程，具有实时性。
附图说明
图1是本实用新型第一实施例提供的四点弯曲力学实验装置的夹具示意图。
图2是本实用新型第一实施例提供的四点弯曲力学实验装置的侧面示意图。
图3是本实用新型第一实施例提供的陶瓷基复合材料缺口试样在四点弯载荷下失效示意图。
图4是本实用新型第一实例提供的陶瓷基复合材料缺口试样的中性面偏移 DIC装置检测图。
图5是本实用新型第一实例提供的声发射装置试验期间记录的信号和频率。
具体实施方式
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分。下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
图1、图2示出了一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲的力学实验装置，包括四点弯曲夹具、声发射装置、DIC装置，以及陶瓷基复合材料缺口试样6，四点弯曲夹具包括钳口1、弯曲梁4、延伸杆3。钳口1通过凸肩内的销钉孔与弯曲梁4相连接，在钳口1的端部设有半圆弧凸台，半圆弧凸台与陶瓷基复合材料缺口试样紧密接触；弯曲梁4与延伸杆3通过柔性铰链铰接，使得竖直方向所施加的荷载通过杠杆机构转换为施加在水平方向对陶瓷基复合材料缺口试样6 的弯矩，弯曲梁4一端设有半圆弧凸台，与陶瓷基复合材料缺口试样6紧密接触施加载荷。声发射装置包含两个微型的传感器5，传感器5放置在陶瓷基复合材料缺口试样6的两侧，检测声发射信号，传感器5频带为200-2000kHz。传感器5与陶瓷基复合材料缺口试样6直接接触，并用固定夹定位，真空润滑脂作耦合剂。DIC装置包含两个高分辨率工业相机2，可以实时进行三维全场应变计算，支持计算结果的实时输出。
在本实施例中，通过对延伸杆3的柔性铰链与弯曲梁4连接，将延伸杆3 加载盘座上受到的竖直方向上的载荷通过杠杆机构传递到垂直陶瓷基复合材料缺口试样6的弯曲力矩，同时由于钳口1与弯曲梁4通过螺栓固定连接，在弯曲梁4转动的同时带动钳口1向外张开，使得陶瓷基复合材料缺口试样6也受到钳口1由内向外的力矩，实现了夹具对陶瓷基复合材料缺口试样6施加的四点弯曲受力状态。结构简单可靠，使用方便，而且陶瓷基复合材料缺口试样的夹紧可靠，有效避免了加载过程中陶瓷基复合材料缺口试样的偏转和滑移。
图3示出了陶瓷基复合材料缺口试样在四点弯曲载荷状态下可能出现的破坏模式示意图。对于四点弯曲试验，除了陶瓷基复合材料缺口试样的失效位置外，还应注意断裂起始和裂纹扩展的模式。在试验加载初期，陶瓷基复合材料缺口试样表面在夹具的挤压作用下可能出现挤压破坏11，以及压缩破坏12。随着载荷的增加，缺口尖端13由于应力集中，裂纹会首先向前发生扩展，向着中性轴延伸，同时伴随的还有沿着层间分层低强度平面偏转的裂纹14和层间纤维/基体的剪切破坏15。
图4示出了陶瓷基复合材料缺口试样弯曲过程中中性面的偏移情况，图5 示出了实验过程中声发射信号的变化。
本实用新型具体实施步骤：
第一步，每次试验开始时，都要按照要求对夹具进行测试并对齐配置装配，保证施力点的位置使左右支撑跨距在所需位置值1％误差之内。用标记笔对陶瓷基复合材料缺口试样进行标记，有助于识别裂纹尖端扩展过程，小心地将每个陶瓷基复合材料缺口试样放入试验夹具，并确保陶瓷基复合材料缺口试样在夹具中对齐。准备试验装置，并在试验机上检查加载或位移速率。
第二步，在陶瓷基复合材料缺口试样上、下安装两个声发射探头，并用固定夹定位，真空润滑脂作耦合剂；在陶瓷基复合材料缺口试样一侧放置两个高分辨率工业相机，追踪陶瓷基复合材料缺口试样表面的散斑图像。对陶瓷基复合材料缺口试样进行预加载，以防止陶瓷基复合材料缺口试样在夹具上出现松弛。预加载的大小取决于陶瓷基复合材料缺口试样的形状，预紧力不超过断裂强度的5％。检查陶瓷基复合材料缺口试样与夹具之间的接触，以确保在陶瓷基复合材料缺口试样宽度上施加均匀的线力。
第三步，启动相应程序，开始进行测试，直到陶瓷基复合材料缺口试样完全断裂停止测试，或者载荷下降到最大观察力的20％停止测试，记录最大载荷和断裂载荷。试验完成后，取出断裂的陶瓷基复合材料缺口试样以及碎片，并立即保护断口。分析整理相关实验数据，判断陶瓷基复合材料缺口试样6的失效机理。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置，其特征在于，包括四点弯曲夹具、声发射装置、DIC装置，以及陶瓷基复合材料缺口试样(6)，所述四点弯曲夹具包括钳口(1)、弯曲梁(4)、延伸杆(3)，所述声发射装置包含两个微型的传感器(5)，传感器(5)放置在陶瓷基复合材料缺口试样(6)的两侧，用于检测声发射信号，传感器(5)频带为200-2000kHz，传感器(5)与陶瓷基复合材料缺口试样(6)直接接触，并用固定夹定位，真空润滑脂作耦合剂，两个传感器(5)都连接到一个前置放大器，以确保传感器(5)和采集系统之间的最小信号损失；所述DIC装置包含两个高分辨率工业相机(2)，能够在较大的视场范围内提供优良的细节捕捉能力，可以实现进行全场应变计算和结果显示。
2.如权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置，其特征在于，所述钳口(1)通过凸肩内的销钉孔与弯曲梁(4)相连接，所述钳口(1)的端部设有半圆弧凸台，半圆弧凸台与陶瓷基复合材料缺口试样(6)紧密接触，从而有效的避免所述陶瓷基复合材料缺口试样(6)在加载过程中发生偏转和滑移。
3.如权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置，其特征在于，所述弯曲梁(4)与延伸杆(3)通过铰链铰接，使得竖直方向所施加的荷载通过杠杆机构转换为施加在水平方向对陶瓷基复合材料缺口试样(6)的弯矩，弯曲梁(4)一端设有半圆弧凸台，半圆弧凸台与陶瓷基复合材料缺口试样(6)紧密接触施加载荷。
4.如权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置，其特征在于，所述钳口(1)和弯曲梁(4)均设有半圆弧凸台，半圆弧凸台均置于对称位置，保证所述陶瓷基复合材料缺口试样(6)受力均匀。
5.如权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置，其特征在于，所述延伸杆(3)通过铰链与弯曲梁(4)铰接，使得竖直方向所施加的荷载通过杠杆机构转换为施加在水平方向对陶瓷基复合材料缺口试样(6)的弯矩，所述延伸杆(3)的一侧架有两个高分辨率工业相机(2)，通过追踪陶瓷基复合材料缺口试样(6)表面的散斑图像，实现变形过程中物理表面三维坐标、位移场和应变场的测量。
6.如权利要求1所述的一种用于陶瓷基复合材料四点弯曲力学实验装置，其特征在于，所述陶瓷基复合材料缺口试样(6)可根据不同实验要求设置不同缺口，如V型槽缺口、矩形缺口、圆弧缺口，陶瓷基复合材料缺口试样(6)置于钳口(1)与弯曲梁(4)之间，跨距根据陶瓷基复合材料缺口试样(6)尺寸大小可以自由调整，以抵消加载过程中夹具的变形。
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