複合材料試驗裝置製造方法
2023-05-27 11:28:01
複合材料試驗裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種複合材料試驗裝置，包括底座(7)；第一支撐機構，其可移動地安裝在底座(7)上；第二支撐機構，其固定安裝在底座(7)的一端；以及加載機構，其位於第一支撐機構和第二支撐機構的上方並可移動地安裝在支撐梁(12)上，用以對被支撐在第一支撐機構和第二支撐機構上的試驗件(19)施加載荷(P)。通過本發明的複合材料試驗裝置可了解材料的張開型(I型)、剪切型(II型)和I/II混合型(撕裂型)分層行為，從而評價複合材料抵抗分層的能力；在實際實驗過程中通過調整試驗裝置上的部件的組合就能進行三種分層模式下的斷裂性能試驗，節省了試驗成本，省去換裝置時間從而節省了試驗時間。
【專利說明】複合材料試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及複合材料試驗【技術領域】，尤其涉及複合材料斷裂性能及分層行為的試
驗裝置。
【背景技術】
[0002]目前被廣泛用於飛機主承力構件的樹脂基複合材料主要是層壓板與層壓結構，它們是由多層預浸帶鋪迭後熱壓而成的層壓製件。在製造過程中由於預浸帶的汙染，或是熱壓過程中的揮發性物質未被排除等多種原因，很容易使層壓板局部層和層脫粘，造成分層缺陷；此外，樹脂強度遠低於纖維，同時界面強度相對較低，使層間強度成為層壓板的薄弱環節，並且層壓板自由邊、孔邊等幾何不連續處會引起高的層間應力。低層間強度和高層間應力也會導致層與層之間的分離，所以分層是層壓板最主要的問題。
[0003]層壓板的分層大致有I型(張開型)、II型(剪切型)和III型(撕裂型)以及它們的組合，其中，I型分層是拉伸受載，分層面與載荷方向垂直型分層是剪切受載，分層面與載荷方向平行；πι型分層是拉伸和剪切同時受載。一般情況下,含混合應力的結構發生分層時，三種分層模式共存，其中I型和II型分層是主要模式，III型所佔比重相對較小，可以忽略，因此I型和II型分層以及I型和II型的混合型分層是研究的重點。純I型斷裂性能的測量是通過懸臂梁(DCB)試驗完成，試驗時直接在試驗件端部施加張開載荷；而純II型是通過三點彎曲試驗即端部缺陷彎曲(ENF)試驗完成，試驗時在試驗件中間施加彎曲載荷進行傳統的三點彎曲試驗，此種試驗方式無法靈活改變加載點位置型和II型的混合型斷裂性能的測量只能通過混合模式彎曲(MMB)分層試驗完成，但由於沒有合適的試驗裝置所以試驗難以實現。
[0004]雖然複合材料分層原理都被熟知並且也針對I型分層、II型分層斷裂韌度做了大量試驗，但是，由於沒有合適的混合型分層試驗裝置，I型和II型的混合層間斷裂韌度的試驗很少，並且在實際實驗研究中沒有I型分層斷裂韌度、II型分層斷裂韌度、以及1、II混合層間斷裂韌度測量的統一試驗裝置，更沒有一種能夠分別做I型分層、II型分層、以及1、II混合型分層試驗的集成試驗裝置。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於設計一種用於複合材料的集成試驗裝置，利用該裝置能夠根據需要測量I型分層斷裂韌度、II型分層斷裂韌度、或者1、II混合層間斷裂韌度。
[0006]為此，根據本發明，提供一種複合材料試驗裝置，所述複合材料試驗裝置包括:底座；第一支撐機構，其可移動地安裝在所述底座上；第二支撐機構，其固定安裝在所述底座的一端；加載機構，其位於所述第一支撐機構和所述第二支撐機構的上方，用以對被支撐在所述第一支撐機構和所述第二支撐機構上的試驗件施加載荷；以及支撐梁，其與所述加載機構可移動地連接。
[0007]根據優選實施方式，所述複合材料試驗裝置還包括次級加載機構，其可移動地安裝於所述支撐梁上並與所述加載機構間隔開。
[0008]具體地，所述第一支撐機構包括第一支撐架和安裝在所述第一支撐架上的第一支撐軸，所述第一支撐架包括可移動的支座，其能夠沿設置在所述底座上的導槽移動。
[0009]根據一種實施方式，所述第二支撐機構包括第二支撐架和安裝在其上的下夾頭，在所述下夾頭上方相對設置有安裝在所述支撐梁上的上夾頭，在進行張開試驗時，所述上夾頭和所述下夾頭與試驗件鉸鏈連接。
[0010]根據另一種實施方式，所述第二支撐機構包括第二支撐架和安裝在其上的第二支撐軸，在進行剪切試驗時，所述第二支撐軸與所述第一支撐軸共同支撐試驗件。
[0011]進一步地，所述加載機構包括通過支撐座與所述支撐梁可移動安裝的加載梁，以及依次與所述支撐座連接的滾動軸承和第一加載軸，加載夾持端將載荷施加於所述加載梁，所述加載梁與所述滾動軸承接觸。
[0012]進一步地，所述次級加載機構包括安裝在所述支撐梁上的第三支撐架和安裝在所述第三支撐架上的第二加載軸。
[0013]根據一種實施方式，所述支撐梁為工字梁，其上設有多個安裝孔以調節安裝於其上的各部件的位置。
[0014]根據一種實施方式，所述第一支撐架的可移動的支座通過地腳螺栓連接到所述底座上的導槽中。
[0015]通過採用本發明的複合材料試驗裝置，在進行I型分層斷裂韌度試驗時，可通過調節第一加載軸與第一支撐軸之間的距離得到張開型載荷，使得試驗件張開，得到層壓板I型分層斷裂韌度；在進行II型分層斷裂韌度試驗時，可通過調節第一加載軸在第一支撐軸和第二支撐軸之間的位置，利用三點彎曲對試驗件施加剪切載荷，並可改變第一加載軸的位置來改變剪切載荷的大小，得到層壓板II型分層斷裂韌度；在進行混合型彎曲試驗時，通過增加第二加載軸，可以在施加剪切載荷的基礎上額外施加一個張開型載荷使得試驗件張開，所施加的兩個力的相對大小決定了 Ι、π型的比例，即改變加載軸的位置來改變Ι、π型的混合率，從而可以實現只施加一個載荷來同時產生兩個力，得到1、II型載荷，進而試驗得到層壓板1、II型混合層間斷裂韌度。
[0016]通過本發明的複合材料試驗裝置可了解材料的張開型(I型)、剪切型(II型)和I/II混合型(撕裂型)分層行為，從而評價複合材料抵抗分層的能力；在實際實驗過程中通過調整試驗裝置上的部件的組合就能進行三種分層模式下的斷裂性能試驗，節省了試驗成本，省去換裝置時間從而節省了試驗時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]本發明的其它特徵以及優點將通過以下結合附圖詳細描述的【具體實施方式】更好地理解，附圖中，相同的附圖標記標識相同或相似的部件，其中:
[0018]圖1為根據本發明的複合材料試驗裝置用於張開型試驗時的結構示意圖；
[0019]圖2為與圖1類似的示意圖，從另一角度示出了根據本發明的複合材料試驗裝置；
[0020]圖3為採用圖1中結構進行張開型試驗時對試驗件施加載荷的示意圖；
[0021]圖4為根據本發明的複合材料試驗裝置用於剪切型試驗時的結構示意圖；[0022]圖5為採用圖4中結構進行剪切型試驗時對試驗件施加載荷的示意圖；
[0023]圖6為根據本發明的複合材料試驗裝置用於混合型試驗時的結構示意圖；
[0024]圖7為採用圖6中結構進行混合型試驗時對試驗件施加載荷的示意圖。
[0025]附圖標記說明
[0026]I加載梁2滾動軸承
[0027]3第一加載軸4支撐座
[0028]5第一支撐架501支座
[0029]6導槽7底座
[0030]8第一支撐軸9下夾頭
[0031]901下夾頭底座安裝孔 902下夾頭裝夾孔
[0032]10上夾頭101上夾頭裝夾孔
[0033]11第二支撐軸12支撐梁
[0034]13加載夾持端14第二支撐架
[0035]15、16鉸鏈17第三支撐架
[0036]18第二加載軸19試驗件
[0037]A分層P載荷
【具體實施方式】
[0038]下面詳細描述本發明的具體實施例的實施和使用。然而，應當理解，所描述的具體實施例僅示範性地說明實施和使用本發明的特定方式，而非限制本發明的範圍。
[0039]圖1和2示出了根據本發明的複合材料試驗裝置用於張開型試驗時的結構示意圖。所述複合材料試驗裝置包括底座7、第一支撐機構、第二支撐機構、加載機構以及與所述加載機構可移動連接的支撐梁12。其中，所述第一支撐機構可移動地安裝在底座7上，包括第一支撐架5和安裝在第一支撐架5上的第一支撐軸8，所述第一支撐架5還包括可移動的支座501，其能夠沿設置在底座7上的導槽6移動，例如，支座50 I可通過插入導槽6中的地腳螺栓連接於底座7上，從而可以無級移動來調節第一支撐軸8作為支點的位置；所述第二支撐機構固定安裝在底座7的一端，且在該實施方式中包括第二支撐架I 4和安裝在其上的下夾頭9，在所述下夾頭9上方相對設置有安裝在支撐梁12上的上夾頭10，在進行張開試驗時，所述上夾頭10和所述下夾頭9與試驗件19 (圖3)鉸鏈連接；所述加載機構位於所述第一支撐機構和所述第二支撐機構的上方，用以對被支撐在所述第一支撐機構和所述第二支撐機構上的試驗件19施加載荷P，根據本發明，所述加載機構可具體包括通過支撐座4與支撐梁12可移動安裝的加載梁1，以及依次與所述支撐座4連接的滾動軸承2和第一加載軸3，加載夾持端13將載荷施加於所述加載梁1，所述加載梁I與所述滾動軸承2接觸。這裡可以理解的是，採用滾動軸承可避免外載的方向變化，消除了由載荷方向變化引起的非線性誤差。
[0040]根據本發明，所述支撐梁12可為工字梁，其上設有多個安裝孔以調節安裝於其上的各部件的位置，在這種情況下，各部件例如可用螺栓連接在支撐梁上。然而本領域技術人員可以理解的是，各部件還可以其他合適的方式可移除地連接於支撐梁上，或者可在支撐梁上設置滑槽供各部件滑動。[0041]此外，根據本發明的複合材料試驗裝置還包括次級加載機構，其可移動地安裝於所述支撐梁12上並與所述加載機構間隔開，用以實現對複合材料進行混合層間斷裂韌度的試驗，這將在下文中更詳細地描述。
[0042]結合圖1至3，在進行張開型試驗時，調節並固定第一支撐機構在底座7上的位置和加載機構在支撐梁12上的位置，使得加載機構對試驗件19的一端施加載荷。下夾頭9通過其上設置的下夾頭底座安裝孔901用螺栓固定於第一支撐架14上，上夾頭10同樣可通過其上設置的上夾頭底座安裝孔(圖中未標識)用螺栓固定連接於支撐梁12上並位於下夾頭9的上方。將試驗件19支撐於第一支撐軸8上並通過鉸鏈15、16連接於上夾頭10上設置的上夾頭裝夾孔101和下夾頭9上設置的下夾頭裝夾孔902。加載夾持端13施加的載荷P通過加載梁I與滾動軸承2的接觸傳遞到支撐座4上，再通過與試驗件19接觸的第一加載軸3傳遞給試驗件19。圖3示出的試驗件19在A處已有初始加工的分層，當受到第一加載軸3施加的張開力時，在分層處會承受沿箭頭方向的拉伸力。在這種實施方式中，加載點在第一加載軸3處，支點在第一支撐軸8處。通過加載點與支點之間的距離可得到張開型載荷以使得試驗件19張開，並可以通過改變加載點的位置來改變張開載荷的大小，得到層壓板I型分層斷裂韌度。
[0043]對於剪切型試驗，如圖4和5所示，在這一實施方式中，所述第二支撐機構可包括第二支撐架14和安裝在其上的第二支撐軸11，由所述第二支撐軸11與所述第一支撐軸8共同支撐試驗件19。這種變化可簡單地通過將第二支撐軸11安裝於第二支撐架14上來獲得，並且為了操作便利，上夾頭10可以移除。進行剪切型試驗時，調節加載機構和第一支撐機構的位置使得加載機構位於第一支撐機構和第二支撐機構之間。加載夾持端13施加的載荷P通過加載梁I與滾動軸承2的接觸傳遞到支撐座4上，再通過與試驗件19接觸的第一加載軸3傳遞給試驗件19，由此通過三點彎曲對試驗件施加剪切載荷。如圖5所示，加載點在第一加載軸3處，支點在第一支撐軸8和第二支撐軸11處，在有初始加工的分層A處承受沿箭頭方向的剪切力，通過改變加載點的位置可改變剪切載荷的大小，得到層壓板II型分層斷裂韌度。
[0044]對於混合型試驗，如圖6和7所示，根據本發明的試驗裝置通過設置次級加載機構來實現只施加一個載荷同時得到1、11型載荷。參見圖6所示的實施方式，所述次級加載機構可包括例如通過螺栓安裝在支撐梁12上的第三支撐架17和安裝在第三支撐架17上的第二加載軸18。進行混合型試驗時，與張開型試驗類似，將試驗件19支撐於第一支撐軸8上並通過鉸鏈15、16連接於上夾頭10上設置的上夾頭裝夾孔101和下夾頭9上設置的下夾頭裝夾孔902 ;調節加載機構的位置使其位於試驗件19的一端，調節次級加載機構的位置使其位於第一支撐機構和第二支撐機構之間。加載夾持端13施加的載荷P通過加載梁I與滾動軸承2的接觸傳遞到支撐座4上，支撐座4將載荷傳遞到支撐梁12，再通過與支撐梁12連接的第三支撐架17傳遞到第二加載軸18，進而傳遞到試驗件19上。如圖7所示，加載點在第二加載軸18處，支點在第一支撐軸8處。試驗件19在有初始加工的分層A處分別承受箭頭示出的拉伸力和剪切力，也就是說，在對試驗件加載時，加載力可以轉化成張開型(I型)的張開力和剪切型(II型)的剪切力，從而得到Ι/ΙΙ混合型(撕裂型)分層，通過調節加載點的位置可實現I型、II型應變能釋放率比值R的調節。
[0045]以上已通過具體實施例揭示本發明的技術內容及技術特點，然而可以理解，在本發明的創作思想下，本領域的技術人員可以對上述公開的各種特徵和未在此明確示出的特徵的組合作各種變化和改進，這些變化和改進都屬於本發明的保護範圍。例如，在所示出的各種實施方式中，第一支撐架5、第二支撐架14、第三支撐架17以及加載梁1、支撐座4均被設計為U型結構，支撐軸8、11分別安裝在第一和第二 U型支撐架5、14的支腳上設置的孔中，加載軸3、18分別安裝在U型支撐座4和第三U型支撐架17的支腳上設置的孔中；此夕卜，支撐梁12示出為工字梁，但很顯然這些結構均可按照實際需要加以更改。因此，上述實施例的描述是示例性的而不是限制性的。
【權利要求】
1.一種複合材料試驗裝置，包括: 底座(7)； 第一支撐機構，其可移動地安裝在所述底座(7)上； 第二支撐機構，其固定安裝在所述底座(7)的一端； 加載機構，其位於所述第一支撐機構和所述第二支撐機構的上方，用以對被支撐在所述第一支撐機構和所述第二支撐機構上的試驗件(19)施加載荷(P);以及 支撐梁(12)，其與所述加載機構可移動地連接。
2.根據權利要求1所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述複合材料試驗裝置還包括次級加載機構，其可移動地安裝於所述支撐梁(12)上並與所述加載機構間隔開。
3.根據權利要求2所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述第一支撐機構包括第一支撐架(5)和安裝在所述第一支撐架(5)上的第一支撐軸(8)，所述第一支撐架(5)包括可移動的支座(501)，其能夠沿設置在所述底座(7)上的導槽(6)移動。
4.根據權利要求3所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述第二支撐機構包括第二支撐架(14)和安裝在其上的下夾頭(9)，在所述下夾頭(9)上方相對設置有安裝在所述支撐梁(12)上的上夾頭(10)，在進行張開試驗時，所述上夾頭(10)和所述下夾頭(9)與試驗件(19)鉸鏈連接。
5.根據權利要求3所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述第二支撐機構包括第二支撐架(14 )和安裝在其上的第二支撐軸(11)，在進行剪切試驗時，所述第二支撐軸(11)與所述第一支撐軸(8)共同支撐試驗件(19)。
6.根據權利要求4或5所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述加載機構包括通過支撐座(4)與所述支撐梁(12)可移動安裝的加載梁(I)，以及依次與所述支撐座(4)連接的滾動軸承(2)和第一加載軸(3)，加載夾持端(13)將載荷施加於所述加載梁(1)，所述加載梁(I)與所述滾動軸承(2)接觸。
7.根據權利要求6所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述次級加載機構包括安裝在所述支撐梁(12)上的第三支撐架(17)和安裝在所述第三支撐架(17)上的第二加載軸(18)。
8.根據權利要求7所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述支撐梁(12)為工字梁，其上設有多個安裝孔以調節安裝於其上的各部件的位置。
9.根據權利要求8所述的複合材料試驗裝置，其特徵在於，所述第一支撐架(5)的可移動的支座(501)通過地腳螺栓連接到所述底座(7)上的導槽(6)中。
【文檔編號】G01N3/24GK103884590SQ201210559567
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月20日 優先權日:2012年12月20日
【發明者】白國娟 申請人:中航商用航空發動機有限責任公司