CN111965047B - 一种复合材料层间剪切测试装置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料层间剪切测试装置，包括夹具底座、导轨、上夹具、下夹具、辅助垫块和对中块；所述上夹具包括由上夹具固定螺栓连接的上夹具固定部和上夹具活动部，所述下夹具包括由下夹具固定螺栓连接的下夹具固定部和下夹具活动部；所述辅助垫块可移除地设置在上夹具固定部和下夹具固定部之间，其顶部设有斜面；所述上夹具固定部和下夹具固定部在临近试样装配部的侧面上各设有一个对中凸台；所述对中块在外部施加的推力作用下，将双缺口试样推入试样装配部内，并且使其后侧面抵接在两个对中凸台上。本发明能够保证试样上下精确对中，有效消除压缩失稳现象，同时方便放置声发射信号采集探头。

Description

一种复合材料层间剪切测试装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及复合材料力学测试技术领域，具体而言涉及一种复合材料层间剪切测试装置及其操作方法。

背景技术

因其在航空器及航空器发动机服役环境下表现出的优异力学性能，复合材料成为了制造航空器众多结构的理想材料。在进行结构设计时，材料的层间剪切性能必须满足强度要求。因此，建立复合材料层间剪切测试***获取其层间剪切力学性能是复合材料结构设计前的一项重要基础工作。

目前，复合材料层间剪切性能常用测试方法主要有：短梁剪切试验、四点弯曲试验、Iosipescu(约塞佩斯库)剪切试验和双缺口剪切试验。

短梁剪切试验是最早用于测试材料层间剪切性能的试验方法。这类方法的优点在于试验操作简便且数据处理较为简单。然而，短梁剪切试验的弊端也十分显著。加载过程中两支点之间的剪切平面内会受到弯矩的作用，这样一来试样最终可能因弯矩作用而发生破坏，导致所测得的层间剪切强度及变形并不准确。

针对短梁剪切试验中存在的问题，研究人员提出了一种四点弯曲的试验方法来测试材料的层间剪切性能。这一方法通过改变载荷施加位置保证了试样中间段剪切平面主要承受层间的剪力，避免了短梁剪切试验中试样可能因弯矩而发生失效的情况。然而，四点弯曲试验中试样仍然会受到一定的弯矩而影响结果的准确性。此外，这一方法的试验结果相较于短梁剪切试验存在更大的分散性。

Iosipescu剪切试验最初是用于测试金属材料的面内剪切性能，之后被扩展应用到了复合材料剪切性能的测试中。这一方法采用具有双V形切口的板状试样，研究结果表明在试验过程中试样上下V形切口之间会产生均匀的纯剪切应力场。因此，使用这一方法可以较为准确地测得复合材料的剪切性能。然而，由于目前大部分复合材料厚度方向尺寸较小，使用这一方法测试层间剪切性能时存在V形切口加工难度大、切口附近存在较大应力集中以及试验结果存在较大分散性等问题。因此，Iosipescu剪切试验目前主要适用于复合材料面内剪切性能的测试。

双切口剪切试验是目前最常用的一种测试复合材料层间剪切性能的试验方法。这一方法通过对试样施加轴向载荷使得试样上下缺口之间产生剪切应力场。该方法所得测试结果准确性受所用夹具可靠性影响很大。在复合材料双缺口剪切试验标准ASTM 1292-10中公开的层间剪切测试装置仅表明了试验的基本原理，在实际使用过程中若直接使用该测试装置会存在多种弊端。例如：难以保证试件装夹时的可靠对中，无法完全避免试件压缩室温情况的出现以及难以实现声发射数据采集等。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种可以保证试样上下精确对中、消除压缩失稳现象以及方便放置声发射信号采集探头的复合材料层间剪切测试装置，并提出一种适用于该复合材料层间剪切测试装置的操作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种复合材料层间剪切测试装置，所述测试装置包括夹具底座、导轨、上夹具、下夹具、辅助垫块和对中块；

所述夹具底座的上表面呈水平状，导轨垂直安装在夹具底座上表面上；

所述上夹具包括由上夹具固定螺栓连接的上夹具固定部和上夹具活动部，所述下夹具包括由下夹具固定螺栓连接的下夹具固定部和下夹具活动部，所述夹具固定部、下夹具固定部由上至下套接在导轨上，沿导轨竖直移动；

所述辅助垫块可移除地设置在上夹具固定部和下夹具固定部之间，其顶部设有斜面，辅助垫块用以提供上夹具支撑力的同时，利用斜面对上夹具和下夹具在竖直方向上的距离进行微调；当辅助垫块移除时，上夹具固定部和下夹具固定部之间构成第一间隙部；所述上夹具活动部和下夹具活动部之间构成第二间隙部；所述第一间隙部和第二间隙部分别对应双缺口试样上的一个缺口；

所述上夹具固定部和上夹具活动部在连接处设有呈竖直状的第一容纳部，所述下夹具固定部和下夹具活动部在连接处设有呈竖直状的第二容纳部，第一容纳部和第二容纳部组合构成用以容纳双缺口试样的试样装配部；

所述上夹具固定部和下夹具固定部在临近试样装配部的侧面上各设有一个对中凸台；所述对中块在外部施加的推力作用下，将双缺口试样推入试样装配部内，并且使其后侧面抵接在两个对中凸台上。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述对中块包括垂直连接的第一对位部和第二对位部，所述第一对位部的尺寸与第一间隙部的尺寸相对应，所述第二对位部的尺寸与试样装配部的尺寸相对应。

进一步地，所述上夹具活动部上设置有用于安装第一声发射探头的呈半圆柱型的第一槽口，所述第一声发射探头通过上夹具声发射探头固定螺栓安装在第一槽口内。

进一步地，所述下夹具活动部上设置有用于安装第二声发射探头的呈半圆柱型的第二槽口，所述第二声发射探头通过下夹具声发射探头固定螺栓安装在第二槽口内。

进一步地，所述上夹具固定部呈U型，具有开口朝向上夹具活动部的第一嵌入部，上夹具固定部远离夹具底座的的一边连接有延伸部；

所述上夹具活动部呈L型，其中一个连接边沿延伸部水平滑动以移入或移出第一嵌入部，使上夹具固定部和上夹具活动部之间构成宽度可调的第一容纳部；

所述上夹具活动部的底部高于上夹具固定部的底部。

进一步地，所述延伸部下端面上设置有第一滑轨；

所述上夹具活动部的上端面上设置有被第一滑轨半包围的第一移动组件，上夹具活动部沿第一滑动移动以临近或远离上夹具固定部。

进一步地，所述夹具底座的上表面设置有水平方向延伸的第二滑轨；

所述下夹具活动部的底面设置有被第二滑轨半包围的第二移动组件，下夹具活动部沿第二滑轨移动以临近或远离下夹具固定部。

进一步地，所述下夹具固定部呈L型，与夹具底座上表面构成开口朝向下夹具活动部的第二嵌入部；所述下夹具活动部呈L型，其中一个连接边水平放置在夹具底座上，沿夹具底座上表面滑动以移入或移出第二嵌入部，使下夹具固定部和下夹具活动部之间构成宽度可调的第二容纳部；

所述下夹具活动部的顶部高于下夹具固定部的顶部。

进一步地，所述上夹具固定部与试样装配部对应的顶部开设有半球孔，半球孔内放置有钢珠，试验机加载头通过钢珠施加向下的载荷。

基于前述复合材料层间剪切测试装置，本发明还提及一种复合材料层间剪切测试装置的操作方法，所述操作方法包括：

S1，将辅助垫块放置在上夹具和下夹具之间，对上夹具进行支撑，并根据试样尺寸调整第一间隙部的高度；

S2，将下夹具活动部沿夹具底座上表面移至下夹具固定部与夹具底座构成的第二嵌入部内，使下夹具固定部和下夹具活动部之间构成宽度可调的第二容纳部；

S3，将双缺口试样放置于第二容纳部内；

S4，将对中块抵接在双缺口试样前侧面上，施加一推力在对中块的前侧面上，使双缺口试样嵌入试样装配部，并且双缺口试样的后侧面抵接在两个对中凸台上；

S5，将上夹具活动部移动到上夹具固定部的第二嵌入部内，使上夹具活动部与双缺口试样抵接，并且上夹具固定部和上夹具活动部之间构成宽度可调的第一容纳部；

S6，旋紧上夹具固定螺栓和下夹具固定螺栓，使上夹具和下夹具夹紧双缺口试样，取下对中块；

S7，将两个声发射探头放置在上夹具和下夹具的预留槽口内，使探头探测面能贴近试样表面；

S8，旋紧上夹具声发射探头固定螺栓和下夹具声发射探头固定螺栓，将两个声发射探头固定在试样表面，取下辅助垫块；

S9，将剪切夹具安装至试验机，连接声发射信号采集数据线后进行层间剪切试验。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中使用了固定于底座上的纵向导轨，能保证试验过程中试样不发生横向移动，有效提升了试验装置的可靠性。

(2)本发明中在夹具上增加了对中凸台，结合对中块使用能方便地完成试样的上下对中且对中效果优异。

(2)本发明在夹具与试样接触面增加了声发射探头安装位，解决了声发射信号采集困难及探头安装不便的问题。

附图说明

图1为现有技术中双缺口层间剪切试样的结构示意图；

图2为现有技术中ASTM 1292-10中公开的剪切测试装置的结构示意图；

图3为本发明中对中块的结构示意图；

图4为本发明中上下夹具对中凸台的结构示意图；

图5为本发明的辅助垫块的结构示意图；

图6为本发明未放置试样时的正视图；

图7为本发明完成试样装夹和声发射探头安装时的正视图。

图中：1-双缺口层间剪切试样、2-上夹具固定部、3-上夹具活动部、4-下夹具固定部、5-下夹具活动部、6-夹具底座、7-导轨、8-上夹具固定螺栓、9-下夹具固定螺栓、10-下夹具声发射探头固定螺栓、11-上夹具声发射探头固定螺栓、12-声发射探头A、13-声发射探头B、14-辅助垫块。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

结合图1至图7，本发明提及一种复合材料层间剪切测试装置，所述测试装置包括夹具底座6、竖直并排安装的导轨7、上夹具固定部2、上夹具活动部3、下夹具固定部4、下夹具活动部5；所述导轨7与夹具底座6通过底部螺栓固定；所述上夹具固定部2和下夹具固定部4均通过竖直方向的通孔套在导轨7上，可沿导轨在竖直方向上移动。所述上夹具固定部2和上夹具活动部3之间通过上夹具固定部2上的矩形槽(第一嵌入部)配合在一起，通过上夹具固定螺栓8固定；所述下夹具固定部和下夹具活动部之间通过夹具底座6上的矩形槽(第二嵌入部)配合在一起，通过下夹具固定螺栓9固定。所述上夹具固定部2上方开有半球孔，用于放置钢珠，试验机加载头通过钢珠施加向下的载荷。所述辅助垫块顶部设有斜面，可以在一定范围内自由调整上夹具与下夹具之间的距离，便于安装试样。所述上夹具固定部2和下夹具活动部5后侧均设有对中凸台，配合图3所示对中块夹紧试样保证试样安装时上下对中。所述上夹具活动部3和下夹具活动部5前侧均开有半圆柱形槽口和螺纹孔，用于安装声发射探头，探头信号接受面与试样表面接触，另一端通过螺栓固定。

在此基础上，参见图6和图7，本发明的复合材料层间剪切测试装置的操作方法包括以下步骤：

步骤1、将辅助垫块14放置于与纵向导轨7相配合的上夹具固定部2和下夹具固定部4之间，对上夹具进行支撑，并调整至合适高度以便于装夹试样1。

步骤2、将下夹具活动部5沿夹具底座6上的第二滑轨移动到下夹具固定部4下方。

步骤3、将试样1放置于下夹具固定部4与下夹具活动部5之间的缺口位置(第二容纳部)。

步骤4、使用对中块从前侧面压紧试样1使得试样1后侧面紧靠如图4所示的对中凸台上，保证试样上下对中。

步骤5、将上夹具活动部3沿矩形槽(第一嵌入部)与上夹具固定部2相配合。

步骤6、旋紧上夹具固定螺栓8和下夹具固定螺栓9，完成上下夹具与试样的固定，取下对中块。

步骤7、将声发射探头A 12和声发射探头B 13分别放置于上夹具活动部3和下夹具活动部5的预留槽口内，使探头信号接收面能贴近试样表面。

步骤8、旋紧下夹具声发射探头固定螺栓10和上夹具声发射探头固定螺栓11，将探头固定于试样表面，取下辅助垫块14。

步骤9、将剪切夹具安装至试验机上，并连接好声发射信号采集数据线便可进行层间剪切试验。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种复合材料层间剪切测试装置，其特征在于，所述测试装置包括夹具底座、导轨、上夹具、下夹具、辅助垫块和对中块；

所述夹具底座的上表面呈水平状，导轨垂直安装在夹具底座上表面上；

所述上夹具包括由上夹具固定螺栓连接的上夹具固定部和上夹具活动部，所述下夹具包括由下夹具固定螺栓连接的下夹具固定部和下夹具活动部，所述上夹具固定部、下夹具固定部由上至下套接在导轨上，沿导轨竖直移动；

所述辅助垫块可移除地设置在上夹具固定部和下夹具固定部之间，其顶部设有斜面，辅助垫块用以提供上夹具支撑力的同时，利用斜面对上夹具和下夹具在竖直方向上的距离进行微调；当辅助垫块移除时，上夹具固定部和下夹具固定部之间构成第一间隙部；所述上夹具活动部和下夹具活动部之间构成第二间隙部；所述第一间隙部和第二间隙部分别对应双缺口试样上的一个缺口；

所述上夹具固定部和上夹具活动部在连接处设有呈竖直状的第一容纳部，所述下夹具固定部和下夹具活动部在连接处设有呈竖直状的第二容纳部，第一容纳部和第二容纳部组合构成用以容纳双缺口试样的试样装配部；

所述上夹具固定部和下夹具固定部在临近试样装配部的侧面上各设有一个对中凸台；所述对中块在外部施加的推力作用下，将双缺口试样推入试样装配部内，并且使其后侧面抵接在两个对中凸台上；

所述对中块包括垂直连接的第一对位部和第二对位部，所述第一对位部的尺寸与第一间隙部的尺寸相对应，所述第二对位部的尺寸与试样装配部的尺寸相对应；

所述上夹具活动部上设置有用于安装第一声发射探头的呈半圆柱型的第一槽口，所述第一声发射探头通过上夹具声发射探头固定螺栓安装在第一槽口内；

所述下夹具活动部上设置有用于安装第二声发射探头的呈半圆柱型的第二槽口，所述第二声发射探头通过下夹具声发射探头固定螺栓安装在第二槽口内。

2.根据权利要求1所述的复合材料层间剪切测试装置，其特征在于，所述上夹具固定部呈U型，具有开口朝向上夹具活动部的第一嵌入部，上夹具固定部远离夹具底座的的一边连接有延伸部；

所述上夹具活动部呈L型，其中一个连接边沿延伸部水平滑动以移入或移出第一嵌入部，使上夹具固定部和上夹具活动部之间构成宽度可调的第一容纳部；

所述上夹具活动部的底部高于上夹具固定部的底部。

3.根据权利要求2所述的复合材料层间剪切测试装置，其特征在于，所述延伸部下端面上设置有第一滑轨；

所述上夹具活动部的上端面上设置有被第一滑轨半包围的第一移动组件，上夹具活动部沿第一滑轨移动以临近或远离上夹具固定部。

4.根据权利要求1所述的复合材料层间剪切测试装置，其特征在于，所述夹具底座的上表面设置有水平方向延伸的第二滑轨；

所述下夹具活动部的底面设置有被第二滑轨半包围的第二移动组件，下夹具活动部沿第二滑轨移动以临近或远离下夹具固定部。

5.根据权利要求1所述的复合材料层间剪切测试装置，其特征在于，所述下夹具固定部呈L型，与夹具底座上表面构成开口朝向下夹具活动部的第二嵌入部；所述下夹具活动部呈L型，其中一个连接边水平放置在夹具底座上，沿夹具底座上表面滑动以移入或移出第二嵌入部，使下夹具固定部和下夹具活动部之间构成宽度可调的第二容纳部；

所述下夹具活动部的顶部高于下夹具固定部的顶部。

6.根据权利要求1所述的复合材料层间剪切测试装置，其特征在于，所述上夹具固定部与试样装配部对应的顶部开设有半球孔，半球孔内放置有钢珠，试验机加载头通过钢珠施加向下的载荷。

7.一种基于权利要求1-6任意一项中所述复合材料层间剪切测试装置的操作方法，其特征在于，所述操作方法包括：

S1，将辅助垫块放置在上夹具和下夹具之间，对上夹具进行支撑，并根据试样尺寸调整第一间隙部的高度；

S2，将下夹具活动部沿夹具底座上表面移至下夹具固定部与夹具底座构成的第二嵌入部内，使下夹具固定部和下夹具活动部之间构成宽度可调的第二容纳部；

S3，将双缺口试样放置于第二容纳部内；

S4，将对中块抵接在双缺口试样前侧面上，施加一推力在对中块的前侧面上，使双缺口试样嵌入试样装配部，并且双缺口试样的后侧面抵接在两个对中凸台上；

S5，将上夹具活动部移动到上夹具固定部的第一嵌入部内，使上夹具活动部与双缺口试样抵接，并且上夹具固定部和上夹具活动部之间构成宽度可调的第一容纳部；

S6，旋紧上夹具固定螺栓和下夹具固定螺栓，使上夹具和下夹具夹紧双缺口试样，取下对中块；

S7，将两个声发射探头放置在上夹具和下夹具的预留槽口内，使探头探测面能贴近试样表面；

S8，旋紧上夹具声发射探头固定螺栓和下夹具声发射探头固定螺栓，将两个声发射探头固定在试样表面，取下辅助垫块；

S9，将剪切夹具安装至试验机，连接声发射信号采集数据线后进行层间剪切试验。

Images