用於雙軸力學測試的十字型試樣的製作方法
2023-07-26 04:32:41
用於雙軸力學測試的十字型試樣的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用於雙軸力學測試的十字型試樣，屬於複合材料雙軸加載試驗【技術領域】。該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設置有加載臂空心區（2），加載臂末端為加載臂夾持端（1），相鄰加載臂的根部之間設有過渡區；四個加載臂根部之間為試樣中心區，試樣中心區的中間區域為中心試驗區（6），中心試驗區（6）與加載臂根部之間設有減薄過渡區（5）。本實用新型結構簡單，便於實現，滿足中心試驗區應力水平較高且均勻的同時，十字型試樣圓弧過渡倒角處的應力集中現象較弱，更易實現中心試驗區的雙軸應力狀態及保證初始破壞發生在中心試驗區。
【專利說明】用於雙軸力學測試的十字型試樣
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用於雙軸力學測試的十字型試樣，屬於複合材料複雜載荷測試領域。
【背景技術】
[0002]纖維增強複合材料作為目前工程中應用最為廣泛的複合材料，越發獲得航空航天領域的青睞。隨著各種先進複合材料的開發和應用，纖維增強複合材料在承力結構中的應用比重越來越大，使得複合材料承受的應力狀態也越來越複雜。因此，對纖維增強複合材料的強度特性，特別是雙軸應力或多軸應力狀態下的破壞特性的研究也越發必要，以保證纖維增強複合材料結構在使用中的安全。
[0003]目前複合材料單軸性能測試技術較為成熟，一般只需通過某一個加載方向進行加載，即可獲得材料的單軸力學性能，常見的複合材料單軸測試標準可參見GB/T 1447-2005(靜態拉伸性能測試)及GB/T 16779-2008 (拉-拉疲勞性能測試)等。而纖維增強複合材料雙軸性能測試方法則無任何標準可以遵循。
[0004]傳統的雙軸加載試樣多為管型試樣，其優點在於可以組合內/外壓、拉/壓、扭轉等多種應力狀態，試驗方法多樣化；但其缺點主要是試驗加工及夾持較為困難，應力狀態需要通過相應計算方可得到，實際測試時不易控制測試參數。目前較為流行的試樣類型為面內雙軸加載試樣，其優點在於應力狀態直觀獲得，夾持簡單，機械加工容易等。但由於複合材料本身結構的各向異性及其較弱的機加工特性，導致雙軸測試結果並不理想。
[0005]國內由於實驗條件的限制，對面內雙軸加載試樣雙軸加載問題還沒有進行較多的研究。到目前為止，僅對複合材料試樣簡單雙軸載荷下的合理性和有效性作過一些簡要分析和試驗，對於性能穩定、雙軸應力狀態特徵明顯的十字型試樣及其製作與試驗方法並未取得良好的進步與發展。
實用新型內容
[0006]本實用新型所要解決的技術問題在於克服現有技術的不足，提供一種用於雙軸力學測試的十字型試樣及製備方法及應用，實現均勻穩定的雙軸測試應力狀態，結構簡單，製作工藝便於實施且避免了機械加工造成的試樣內部損傷。
[0007]本實用新型可以通過以下技術方案來實現:
[0008]一種用於雙軸力學測試的十字型試樣，其特徵在於，該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設置有加載臂空心區，加載臂末端為加載臂夾持端，相鄰加載臂的根部之間設有過渡區，該過渡區由錐形過渡區及圓弧過渡倒角構成；
[0009]四個加載臂根部之間為試樣中心區，試樣中心區的中間區域為中心試驗區，中心試驗區(6)與加載臂根部之間設有減薄過渡區。
[0010]一種用於雙軸力學測試的十字型試樣的製備方法，其特徵在於包括以下過程:
[0011]I)準備好兩個帶有十字型試樣形狀的對稱凹模，對稱凹模內部均設置十字型試樣形狀的槽，槽的深度為十字型試樣厚度的一半，對稱凹模設有鎖緊裝置；
[0012]2)將每層纖維材料裁剪成試樣形狀，分別鋪放在兩個模具中，逐層刷好膠液，纖維布完全鋪好後將兩個模具合在一起，鎖緊，擠出多餘膠液，60°C熱處理12小時後固化，冷卻後起模，將多餘的粗糙毛邊修去，即可得十字型試樣。
[0013]一種用於雙軸力學測試的十字型試樣的應用，其特徵在於包括以下過程:
[0014]將此十字型試樣四個加載臂夾持端夾持到雙軸加載設備的四個夾頭上，並通過控制雙軸加載設備的作業系統進行需要的雙軸加載試驗，進行雙軸加載試驗的主要步驟如下:
[0015]I)將十字型試樣中心試驗區上下兩面中心貼上應變片以備採集應變數據，通過數據採集線連接應變採集儀及計算機；
[0016]2)控制雙軸加載設備四個夾頭停至適當位置，將十字型試樣夾持端放於試驗機夾頭內，依次同時夾緊相鄰兩個加載臂夾持端，確保試樣中心位置與試驗機中心點重合；
[0017]3)採用負荷控制或位移控制方式，設置加載速率，均勻加載，並定時採集應變；進行雙軸疲勞加載測試，需設定載荷譜，輸入雙軸試驗機，雙軸同時加載，並定時採集應變數據。
[0018]本實用新型採用加載臂空心區結構及錐形過渡區結構可實現載荷放大傳遞的作用，使得十字型試樣中心試驗區應力水平較高且趨於均勻，圓弧過渡倒角使錐形過渡交界處趨於平滑，減小應力集中效應。中心試驗區利用了中心區減薄技術，使中心試驗區應力水平高於其他區域，進而使得初始破壞發生在中心試驗區；採用減薄過渡區結構，使加載臂夾持端施加的載荷較為均勻的傳遞到中心試驗區，同時降低減薄區交界面的應力集中。
[0019]本實用新型利用一次固化成型技術製作十字型試樣，避免了二次成型或成型後機械銑薄而造成的初始損傷或分層。
[0020]本實用新型實現了中心區應力均勻且應力水平較高的雙軸加載十字型試樣，測試性能穩定，可實現各種比例的雙軸靜態拉伸或壓縮加載及拉-拉、拉-壓、壓-壓雙軸疲勞加載情況；結構簡單，成型工藝簡單易行，成型模具可反覆使用，降低試驗成本。
[0021]一種用於雙軸力學測試的十字型試樣，其特徵在於，加載臂空心區位於加載臂的對稱軸線上，呈長條形，靠近中心區的一端呈半圓形。該結構可有效增強十字型試樣中心區應力水平，減弱其他區域的應力集中。
[0022]一種用於雙軸力學測試的十字型試樣，其特徵在於，該十字型試樣由纖維布及聚合物基體混合層疊而成，每層材料按照一定的鋪層方向層合，中心區上下兩面對稱減薄，形成中心試驗區層板厚度小於加載臂及過渡區層板厚度。該成型製作方法簡單易行，且一次固化成型便可實現試樣製作，節約製作時間，降低了試驗成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型的結構示意圖；
[0024]圖2為本實用新型的成型模具上模示意圖；
[0025]圖3為本實用新型的成型模具下模示意圖；
[0026]圖4為本實用新型的成型模具裝配示意圖；
[0027]圖中各標號名稱:1、加載臂夾持端，2、加載臂空心區，3、錐形過渡區，4、圓弧過渡倒角，5、減薄過渡區,6、中心試驗區。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖，通過實施例的方式，對本實用新型進行詳細說明:
[0029]一種用於雙軸力學測試的十字型試樣，其特徵在於，該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設置有加載臂空心區2，加載臂末端為加載臂夾持端1，相鄰加載臂的根部之間設有過渡區，該過渡區由錐形過渡區3及圓弧過渡倒角4構成；
[0030]四個加載臂根部之間為試樣中心區，試樣中心區的中間區域為中心試驗區6，中心試驗區6與加載臂根部之間設有減薄過渡區5。
[0031]加載臂有四個，成十字交叉型對稱結構，包括夾持端I及加載臂空心區2，加載臂空心區2位於加載臂的對稱軸線上，呈長條形，靠近中心區的一端呈半圓形，起增強中心區應力水平作用。
[0032]過渡區位於每個加載臂與中心區之間，包括錐形過渡區3及圓弧過渡倒角4，錐形過渡區3起應力傳遞及放大的作用，圓弧過渡倒角4降低應力集中效應。
[0033]中心區位於整個試樣的中心位置，處於加載臂及過渡區的旋轉及對稱中心，包括減薄過渡區5及中心試驗區6，減薄過渡區5位於十字型試樣中心上下兩面對稱分布，呈方形，四周帶有圓角，中心試驗區6形狀與其類似，屬於材料雙軸應力狀態測試區域。
[0034]十字型試樣通過兩個帶有十字型試樣形狀的對稱模具一次性加壓固化成型，60°C熱處理12小時後起模修邊而成。該十字型試樣的製作工藝如下:
[0035]I)清理模具，並將上下兩個模具(如圖2、圖3所示)上塗抹低溫油脂，按照凹模形狀剪好聚酯塑料薄膜，貼在模具上；
[0036]2)按十字型試樣形狀剪裁好纖維布；
[0037]3)配製好膠液；
[0038]4)分別在上下兩個凹模內對稱鋪貼纖維布，並逐層刷好膠液，鋪層順序採用[0° /45。/-45。/90° ]n;
[0039]5)纖維布及膠液完全鋪貼好後，將上下兩個凹模組合到一起如圖4所示)，通過螺帽擰緊，從四周的出膠槽擠出多餘膠液；
[0040]6)將整個模具放入高溫環境箱，60°C熱處理12小時後取出，冷卻至室溫後脫模，去除粗糖毛邊。
[0041]至此，即可得可用於雙軸加載的纖維增強複合材料十字型試樣。
[0042]將此十字型試樣四個加載臂夾持端夾持到雙軸加載設備的四個夾頭上，並可通過控制雙軸加載設備的作業系統進行需要的雙軸加載試驗。進行雙軸加載試驗的主要步驟如下:
[0043]I)將十字型試樣中心試驗區上下兩面中心貼上應變片以備採集應變數據，通過數據採集線連接應變採集儀及計算機；
[0044]2)控制雙軸加載設備四個夾頭停至適當位置，將十字型試樣夾持端放於試驗機夾頭內，依次同時夾緊相鄰兩個加載臂夾持端，確保試樣中心位置與試驗機中心點重合；
[0045]3)可以採用負荷控制或位移控制方式，設置加載速率，均勻加載，並定時採集應變；若進行雙軸疲勞加載測試，需設定載荷譜，輸入雙軸試驗機，雙軸同時加載，並定時採集應變數據。
【權利要求】
1.一種用於雙軸力學測試的十字型試樣，其特徵在於， 該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設置有加載臂空心區(2)，加載臂末端為加載臂夾持端(1)，相鄰加載臂的根部之間設有過渡區，該過渡區由錐形過渡區(3)及圓弧過渡倒角(4)構成； 四個加載臂根部之間為試樣中心區，試樣中心區的中間區域為中心試驗區(6)，中心試驗區(6)與加載臂根部之間設有減薄過渡區(5)。
2.根據權利要求1所述的用於雙軸力學測試的十字型試樣，其特徵在於，上述加載臂空心區(2)位於加載臂的對稱軸線上，呈長條形，靠近中心區的一端呈半圓形。
3.根據權利要求1所述的用於雙軸力學測試的十字型試樣，其特徵在於，該十字型試樣由纖維布及聚合物基體混合層疊而成，每層材料按照一定的鋪層方向層合，中心區上下兩面對稱減薄，形成中心試驗區層板厚度小於加載臂及過渡區層板厚度。
【文檔編號】G01N1/28GK204142540SQ201420534213
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】蔡登安, 周光明 申請人:南京航空航天大學