CN113447371B - 一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，采用了一种点阵板材等效静力学扭转参数测试装置；包括以下步骤：先将测试件的固定端和扭转端分别居中放置在固定平台和下旋转夹具上，此时移动滑块使下旋转夹具保持左右水平；然后，根据测试件的厚度调节移动夹具和上旋转夹具的高度，再将测试件固定；接着，调节测量杆使其下端与刻度台的零刻度线平齐；最后，通过添加砝码和/或移动滑块对测试件施加扭矩，记录测试杆指向的刻度值即两传力柱的相对位移，再经过相应计算可得到测试件的等效扭转刚度。本发明解决了目前的点阵板材等效扭转刚度测试精度低、实验设备复杂等问题。

Description

一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法
技术领域
本发明属于金属或非金属点阵板材力学性质测试技术领域，具体涉及一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法。
背景技术
点阵材料是一种周期性多孔结构，因其结构的特殊性，具备了轻质、高强度、高比刚度、隔热、吸声和能量吸收率高等优良性能。通常点阵材料与上下两层蒙皮共同制作成夹层面板，这类夹层面板已经广泛应用于飞机机身、轮胎、列车地板面等结构中。实际应用里，点阵板材不可避免的要受到扭矩的作用，那么研究并设计点阵板材的扭转刚度就具有十分重要的工程意义。
目前，虽然存在一些测试结构扭转参数的产品，但是结构相对复杂、制造成本高，往往还需要借助传感器、应变片等设备，缺少专门用于测试点阵板材等效扭转刚度的装置设备，且大多只是用来测试芯轴、车身、扭转轴等结构扭转参数的装置。
因此需要设计一种新的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，以解决背景技术中提出的目前扭转参数测试装置复杂、制造成本高，缺少缺少专门用于测试点阵夹层面板等效扭转刚度的装置设备等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，采用了一种点阵板材等效静力学扭转参数测试装置，所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置包括固定平台、移动夹具、上旋转夹具、下旋转夹具、传力柱、连接板、移动支座、滑块、测量杆、刻度台、砝码托承结构和砝码；
所述移动夹具可拆卸设置在固定平台的上方，所述固定平台和移动夹具用于固定测试件的固定端；
所述连接板的中间位置与移动支座的顶部铰接，连接板的两端分别铰接设置有测量杆和砝码托承结构，砝码设置在砝码托承结构上；所述测量杆的旁边设置有刻度台，刻度台上标有用于测竖直方向位移的刻度线；连接板上还设有能沿连接板长度方向移动的滑块；两根传力柱的下端对称铰接设置在所述连接板上，两根传力柱的上端对称铰接设置在下旋转夹具上；所述上旋转夹具可拆卸设置在下旋转夹具的上方，上旋转夹具和下旋转夹具用于夹住测试件的扭转端；
所述点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法具体包括以下步骤：先将测试件的固定端和扭转端分别居中放置在固定平台和下旋转夹具上，此时移动滑块使下旋转夹具保持左右水平；然后，根据测试件的厚度调节移动夹具和上旋转夹具的高度，再将测试件固定；接着，调节测量杆使其下端与刻度台的零刻度线平齐；最后，通过添加砝码和/或移动滑块对测试件施加扭矩，记录测试杆指向的刻度值即两传力柱的相对位移，再经过相应计算可得到测试件的等效扭转刚度。
在一种具体的实施方式中，所述连接板上标有刻度线，滑块在连接板标有刻度线的范围内移动；所述滑块包括第一滑块和第二滑块，所述第一滑块和第二滑块中一个设置在连接板上沿，另一个设置在连接板下沿，所述第一滑块和第二滑块中的任意一个为用于调平连接板的调平滑块，而另一个为用于施力的加载滑块。
在一种具体的实施方式中，所述测量杆与砝码托承结构的重量相同。
在一种具体的实施方式中，两根传力柱之间的距离为测量杆与砝码托承结构之间距离的一半。
在一种具体的实施方式中，所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括固定螺栓和固定螺母，移动夹具通过固定螺栓和固定螺母可拆卸设置在固定平台上；上旋转夹具通过固定螺栓和固定螺母可拆卸设置在下旋转夹具的上方。
在一种具体的实施方式中，所述移动夹具与固定平台之间的距离通过固定螺栓和固定螺母的旋转进行调节，上旋转夹具与下旋转夹具之间的距离也通过固定螺栓和固定螺母的旋转进行调节，以适应不同厚度的测试件。
在一种具体的实施方式中，所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括第一调整垫片，第一调整垫片设置在移动夹具与固定平台之间；所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括第二调整垫片，第二调整垫片设置在上旋转夹具与下旋转夹具之间，第一调整垫片和第二调整垫片均用于保持测试件在测试前处于前后水平状态。
在一种具体的实施方式中，所述第一调整垫片和第二调整垫片尺寸、形状完全相同。
在一种具体的实施方式中，所述移动支座与固定平台的对称中心线重合，且移动支座能相对固定平台进行前后移动。
在一种具体的实施方式中，所述测量杆为伸缩测量杆；所述砝码包括增砣砝码。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明解决了目前的点阵板材等效扭转刚度测试精度低、实验设备复杂等问题。
本发明提供了一种点阵板材等效静力学扭转参数测试装置，结构简单、制作成本低、通用性强。
本发明设计了调平滑块以及调整垫片，可实现加载前测试件的高精度调平，减小了测试件受弯矩作用、自重等的影响。
本发明将加载装置和测试装置结合在一起，大大方便了测试进行。
本发明的两根传力柱间的距离与连接板长度之比为1：2，使得测试件两侧相对扭矩位移可直接读取。
本发明提出的算法适用于点阵夹层面板以及蜂窝芯层等效扭转刚度的计算，该算法还可拓展到其他边界条件下测试件等效扭转刚度的测试，还考虑了测试件厚度以及材料泊松比的影响，结果准确。
同时本发明还可以为点阵夹层面板的理论分析以及有限元数值仿真研究提供实验数据支撑。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种实施例所采用的点阵板材等效静力学扭转参数测试装置的示意图；
图2是本发明一种实施例所采用的点阵板材等效静力学扭转参数测试装置中测试件悬空部分的示意图；
图3是本发明一种实施例所采用的点阵板材等效静力学扭转参数测试装置中蜂窝芯层单胞的示意图；
其中，1、固定螺栓；2、固定螺母；3、移动夹具；4、固定平台；5、测试件；6、上旋转夹具；7、下旋转夹具；8、传力柱；9、测量杆；10、第一滑块；11、刻度台；12、连接板；13、移动支座；14、第二滑块；15、砝码托承结构；16、砝码；17、第一调整垫片；18、第二调整垫片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明的一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，采用了一种点阵板材等效静力学扭转参数测试装置，所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置包括固定平台4、移动夹具3、上旋转夹具6、下旋转夹具7、传力柱8、连接板12、移动支座13、滑块、测量杆9、刻度台11、砝码托承结构15和砝码16；
所述移动夹具3可拆卸设置在固定平台4的上方，所述固定平台4和移动夹具3用于固定测试件5的固定端；
所述连接板12的中间位置与移动支座13的顶部铰接，连接板12的两端分别铰接设置有测量杆9和砝码托承结构15，砝码16设置在砝码托承结构15上；所述测量杆9的旁边设置有刻度台11，刻度台11上标有用于测竖直方向位移的刻度线；连接板12上还设有能沿连接板12长度方向移动的滑块；两根传力柱8的下端对称铰接设置在所述连接板12上，两根传力柱8的上端对称铰接设置在下旋转夹具7上；所述上旋转夹具6可拆卸设置在下旋转夹具7的上方，上旋转夹具6和下旋转夹具7用于夹住测试件5的扭转端；
所述点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法具体包括以下步骤：先将测试件5的固定端和扭转端分别居中放置在固定平台4和下旋转夹具7上，此时移动滑块使下旋转夹具7保持左右水平然后，根据测试件5的厚度调节移动夹具3和上旋转夹具6的高度，再将测试件5固定；接着，调节测量杆9使其下端与刻度台11的零刻度线平齐；最后，通过添加砝码16和/或移动滑块对测试件5施加扭矩，记录测试杆9指向的刻度值即两传力柱8的相对位移，再经过相应计算可得到测试件5的等效扭转刚度。
所述连接板12上标有刻度线，滑块在连接板12标有刻度线的范围内移动；所述滑块包括第一滑块10和第二滑块14，所述第一滑块10和第二滑块14中一个设置在连接板12上沿，另一个设置在连接板12下沿，所述第一滑块10和第二滑块14中的任意一个为用于调平连接板的调平滑块，而另一个为用于施力的加载滑块。测量时加载的载荷主要靠砝码托承结构上的砝码施加，当需要精确微调时，也可以通过移动滑块进行微调。
所述测量杆9与砝码托承结构15的重量相同。重量相同即两边可以互相抵消，减少对测试带来的额外影响。
两根传力柱8之间的距离为测量杆9与砝码托承结构15之间距离的一半。利于将相对扭矩位移直接读取出来。
所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括固定螺栓1和固定螺母2，移动夹具3通过固定螺栓1和固定螺母2可拆卸设置在固定平台4上；上旋转夹具6通过固定螺栓1和固定螺母2可拆卸设置在下旋转夹具7的上方。
所述移动夹具3与固定平台4之间的距离通过固定螺栓1和固定螺母2的旋转进行调节，上旋转夹具6与下旋转夹具7之间的距离也通过固定螺栓1和固定螺母2的旋转进行调节，以适应不同厚度的测试件5。
所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括第一调整垫片17，第一调整垫片17设置在移动夹具3与固定平台4之间，用于保持测试件5在测试前处于前后水平状态。
所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括第二调整垫片18，第二调整垫片18设置在上旋转夹具6与下旋转夹具7之间，用于保持测试件5在测试前处于前后水平状态。
所述第一调整垫片17和第二调整垫片18尺寸、形状完全相同。
所述移动支座13与固定平台4的对称中心线重合，且移动支座13能相对固定平台4进行前后移动。
所述测量杆9为伸缩测量杆；所述砝码16包括增砣砝码。
所述测试件5的悬空部分长度为a，宽度为b。
所述测量杆9与连接板12的铰接中心到砝码拖承结构15与连接杆12的铰接中心的距离为l1。
所述测试件5的等效扭转刚度算法依据以下方程
Figure GDA0003544433600000051
一般情况下，各向同性板结构的Mxy＝-Myx，而对于蜂窝结构夹芯层Mxy≠-Myx。因此推导等效扭转刚度Dxy时，分夹芯板和夹芯层两种情况针对具体边界条件进行讨论。
所述测试件5若为蜂窝芯层，则其斜壁板长为l，斜壁板厚度为t1，直壁板长为h，直壁板厚度为t2，内晶胞角为θ，厚度为t(如图3)。
所述测试件5若为点阵夹层面板，其等效扭转刚度Dxy计算公式为
Figure GDA0003544433600000052
式中，a为测试件5悬空部分的长度，b为测试件5的宽度，Δz为通过测试杆9得到的竖向位移，m为砝码16的质量，m1为滑块的质量，l1是测量杆9与连接板12的铰接中心到砝码拖承结构15与连接杆12的铰接中心的距离，l2为滑块到连接杆12中心的距离，g为当地重力加速度。
所述测试件5若为蜂窝芯层，其其等效扭转刚度Dxy计算公式为
Figure GDA0003544433600000061
式中
Figure GDA0003544433600000062
Figure GDA0003544433600000063
Figure GDA0003544433600000064
qτ的取值根据夹芯层厚度与壁板长度之比、材料泊松比有关如下表所示
Figure GDA0003544433600000065
实施例1
测量100×60×18mm的6063铝合金蜂窝夹层面板/蜂窝芯层的等效扭转刚度：
将测试件5居中放置在固定平台4和下旋转夹具7上，移动第一滑块10使下旋转夹具7左右水平，根据测试件5前后倾斜程度添加第一调整垫片17和/或第二调整垫片18使测试件5保持前后水平，调节测量杆9的下端位置使其与刻度台11的零刻度线平齐；接着根据测试件5的厚度18mm，调整移动夹具3和上旋转夹具6位置，拧紧固定螺栓1和固定螺母2达到固定测试件5的目的。然后添加砝码16通过连接板12和传力柱8施加扭矩到测试件5上，观察测量杆9和刻度台11可得到相对位移。最后，记录相应的扭矩和相对位移，通过计算可得到测试件5的等效扭转刚度。需要说明的是，添加砝码的重量与砝码托承结构15到连接板中心距离的乘积即为施加的扭矩；在测量杆9和刻度台11观测得到的对应截面相对位移通过换算可得到所需挠度。
实施例2
测量100×60×18mm的3003铝合金蜂窝夹层面板/蜂窝芯层的等效扭转刚度：
将测试件5居中放置在固定平台4和下旋转夹具7上，移动第一滑块10使下旋转夹具7左右水平，根据测试件5前后倾斜程度添加第一调整垫片17和/或第二调整垫片18使测试件5保持前后水平，调节测量杆9的下端位置使其与刻度台11的零刻度线平齐；接着根据测试件5的厚度18mm，调整移动夹具3和上旋转夹具6位置，拧紧固定螺栓1和固定螺母2达到固定测试件5的目的。然后添加砝码16和移动第二滑块14通过连接板12和传力柱8施加扭矩到测试件5上，观察测量杆9和刻度台11可得到相对位移。最后，记录相应的扭矩和相对位移，通过计算可得到测试件5的等效扭转刚度。需要说明的是，添加砝码的重量与砝码托承结构15到连接板中心距离的乘积即为施加的扭矩，移动第二滑块14施加的扭矩计算方法同理；在测量杆9和刻度台11观测得到的对应截面相对位移为通过换算可得到所需挠度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，采用了一种点阵板材等效静力学扭转参数测试装置，所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置包括固定平台(4)、移动夹具(3)、上旋转夹具(6)、下旋转夹具(7)、传力柱(8)、连接板(12)、移动支座(13)、滑块、测量杆(9)、刻度台(11)、砝码托承结构(15)和砝码(16)；
所述移动夹具(3)可拆卸设置在固定平台(4)的上方，所述固定平台(4)和移动夹具(3)用于固定测试件(5)的固定端；
所述连接板(12)的中间位置与移动支座(13)的顶部铰接，连接板(12)的两端分别铰接设置有测量杆(9)和砝码托承结构(15)，砝码(16)设置在砝码托承结构(15)上；所述测量杆(9)的旁边设置有刻度台(11)，刻度台(11)上标有用于测竖直方向位移的刻度线；连接板(12)上还设有能沿连接板(12)长度方向移动的滑块；两根传力柱(8)的下端对称铰接设置在所述连接板(12)上，两根传力柱(8)的上端对称铰接设置在下旋转夹具(7)上；所述上旋转夹具(6)可拆卸设置在下旋转夹具(7)的上方，上旋转夹具(6)和下旋转夹具(7)用于夹住测试件(5)的扭转端；
所述点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法具体包括以下步骤：先将测试件(5)的固定端和扭转端分别居中放置在固定平台(4)和下旋转夹具(7)上，此时移动滑块使下旋转夹具(7)保持左右水平；然后，根据测试件(5)的厚度调节移动夹具(3)和上旋转夹具(6)的高度，再将测试件(5)固定；接着，调节测量杆(9)使其下端与刻度台(11)的零刻度线平齐；最后，通过添加砝码(16)和/或移动滑块对测试件(5)施加扭矩，记录测量 杆(9)指向的刻度值即两传力柱(8)的相对位移，再经过相应计算可得到测试件(5)的等效扭转刚度。
2.根据权利要求1所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述连接板(12)上标有刻度线，滑块在连接板(12)标有刻度线的范围内移动；所述滑块包括第一滑块(10)和第二滑块(14)，所述第一滑块(10)和第二滑块(14)中一个设置在连接板(12)上沿，另一个设置在连接板(12)下沿，所述第一滑块(10)和第二滑块(14)中的任意一个为用于调平连接板的调平滑块，而另一个为用于施力的加载滑块。
3.根据权利要求1所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述测量杆(9)与砝码托承结构(15)的重量相同。
4.根据权利要求1所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，两根传力柱(8)之间的距离为测量杆(9)与砝码托承结构(15)之间距离的一半。
5.根据权利要求1所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括固定螺栓(1)和固定螺母(2)，移动夹具(3)通过固定螺栓(1)和固定螺母(2)可拆卸设置在固定平台(4)上；上旋转夹具(6)通过固定螺栓(1)和固定螺母(2)可拆卸设置在下旋转夹具(7)的上方。
6.根据权利要求5所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述移动夹具(3)与固定平台(4)之间的距离通过固定螺栓(1)和固定螺母(2)的旋转进行调节，上旋转夹具(6)与下旋转夹具(7)之间的距离也通过固定螺栓(1)和固定螺母(2)的旋转进行调节，以适应不同厚度的测试件(5)。
7.根据权利要求1所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括第一调整垫片(17)，第一调整垫片(17)设置在移动夹具(3)与固定平台(4)之间；所述点阵板材等效静力学扭转参数测试装置还包括第二调整垫片(18)，第二调整垫片(18)设置在上旋转夹具(6)与下旋转夹具(7)之间，第一调整垫片(17)和第二调整垫片(18)均用于保持测试件(5)在测试前处于前后水平状态。
8.根据权利要求7所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述第一调整垫片(17)和第二调整垫片(18)尺寸、形状完全相同。
9.根据权利要求1所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述移动支座(13)与固定平台(4)的对称中心线重合，且移动支座(13)能相对固定平台(4)进行前后移动。
10.根据权利要求1所述的点阵板材等效静力学扭转参数高精度测试方法，其特征在于，所述测量杆(9)为伸缩测量杆；所述砝码(16)包括增砣砝码。
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