用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣及其制備方法與應(yīng)用，屬于復(fù)合材料雙軸加載試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】。該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設(shè)置有加載臂空心區(qū)（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(shè)有過渡區(qū)；四個加載臂根部之間為試樣中心區(qū)，試樣中心區(qū)的中間區(qū)域?yàn)橹行脑囼?yàn)區(qū)（6），中心試驗(yàn)區(qū)（6）與加載臂根部之間設(shè)有減薄過渡區(qū)（5）。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)，滿足中心試驗(yàn)區(qū)應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象較弱，更易實(shí)現(xiàn)中心試驗(yàn)區(qū)的雙軸應(yīng)力狀態(tài)及保證初始破壞發(fā)生在中心試驗(yàn)區(qū)。
【專利說明】用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣及其制備方法與應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣及其制備方法，屬于復(fù)合材料復(fù)雜載荷測試領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為目前工程中應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料，越發(fā)獲得航空航天領(lǐng)域的青睞。隨著各種先進(jìn)復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比重越來越大，使得復(fù)合材料承受的應(yīng)力狀態(tài)也越來越復(fù)雜。因此，對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度特性，特別是雙軸應(yīng)力或多軸應(yīng)力狀態(tài)下的破壞特性的研究也越發(fā)必要，以保證纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用中的安全。
[0003]目前復(fù)合材料單軸性能測試技術(shù)較為成熟，一般只需通過某一個加載方向進(jìn)行加載，即可獲得材料的單軸力學(xué)性能，常見的復(fù)合材料單軸測試標(biāo)準(zhǔn)可參見GB/T 1447-2005(靜態(tài)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(qiáng)復(fù)合材料雙軸性能測試方法則無任何標(biāo)準(zhǔn)可以遵循。
[0004]傳統(tǒng)的雙軸加載試樣多為管型試樣，其優(yōu)點(diǎn)在于可以組合內(nèi)/外壓、拉/壓、扭轉(zhuǎn)等多種應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)方法多樣化；但其缺點(diǎn)主要是試驗(yàn)加工及夾持較為困難，應(yīng)力狀態(tài)需要通過相應(yīng)計(jì)算方可得到，實(shí)際測試時不易控制測試參數(shù)。目前較為流行的試樣類型為面內(nèi)雙軸加載試樣，其優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)力狀態(tài)直觀獲得，夾持簡單，機(jī)械加工容易等。但由于復(fù)合材料本身結(jié)構(gòu)的各向異性及其較弱的機(jī)加工特性，導(dǎo)致雙軸測試結(jié)果并不理想。
[0005]國內(nèi)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對面內(nèi)雙軸加載試樣雙軸加載問題還沒有進(jìn)行較多的研究。到目前為止，僅對復(fù)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(yàn)，對于性能穩(wěn)定、雙軸應(yīng)力狀態(tài)特征明顯的十字型試樣及其制作與試驗(yàn)方法并未取得良好的進(jìn)步與發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣及制備方法及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的雙軸測試應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝便于實(shí)施且避免了機(jī)械加工造成的試樣內(nèi)部損傷。
[0007]本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣，其特征在于，該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設(shè)置有加載臂空心區(qū)，加載臂末端為加載臂夾持端，相鄰加載臂的根部之間設(shè)有過渡區(qū)，該過渡區(qū)由錐形過渡區(qū)及圓弧過渡倒角構(gòu)成；
四個加載臂根部之間為試樣中心區(qū)，試樣中心區(qū)的中間區(qū)域?yàn)橹行脑囼?yàn)區(qū)，中心試驗(yàn)區(qū)(6)與加載臂根部之間設(shè)有減薄過渡區(qū)。
[0008]一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣的制備方法，其特征在于包括以下過程:
I)準(zhǔn)備好兩個帶有十字型試樣形狀的對稱凹模，對稱凹模內(nèi)部均設(shè)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(shè)有鎖緊裝置；
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，纖維布完全鋪好后將兩個模具合在一起，鎖緊，擠出多余膠液，60°C熱處理12小時后固化，冷卻后起模，將多余的粗糙毛邊修去，即可得十字型試樣。
[0009]一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣的應(yīng)用，其特征在于包括以下過程:
將此十字型試樣四個加載臂夾持端夾持到雙軸加載設(shè)備的四個夾頭上，并通過控制雙軸加載設(shè)備的操作系統(tǒng)進(jìn)行需要的雙軸加載試驗(yàn)，進(jìn)行雙軸加載試驗(yàn)的主要步驟如下:
1)將十字型試樣中心試驗(yàn)區(qū)上下兩面中心貼上應(yīng)變片以備采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集線連接應(yīng)變采集儀及計(jì)算機(jī)；
2)控制雙軸加載設(shè)備四個夾頭停至適當(dāng)位置，將十字型試樣夾持端放于試驗(yàn)機(jī)夾頭內(nèi)，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(yàn)機(jī)中心點(diǎn)重合；
3)采用負(fù)荷控制或位移控制方式，設(shè)置加載速率，均勻加載，并定時采集應(yīng)變；進(jìn)行雙軸疲勞加載測試，需設(shè)定載荷譜，輸入雙軸試驗(yàn)機(jī)，雙軸同時加載，并定時采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。
[0010]本發(fā)明采用加載臂空心區(qū)結(jié)構(gòu)及錐形過渡區(qū)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)載荷放大傳遞的作用，使得十字型試樣中心試驗(yàn)區(qū)應(yīng)力水平較高且趨于均勻，圓弧過渡倒角使錐形過渡交界處趨于平滑，減小應(yīng)力集中效應(yīng)。中心試驗(yàn)區(qū)利用了中心區(qū)減薄技術(shù)，使中心試驗(yàn)區(qū)應(yīng)力水平高于其他區(qū)域，進(jìn)而使得初始破壞發(fā)生在中心試驗(yàn)區(qū)；采用減薄過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，使加載臂夾持端施加的載荷較為均勻的傳遞到中心試驗(yàn)區(qū)，同時降低減薄區(qū)交界面的應(yīng)力集中。
[0011]本發(fā)明利用一次固化成型技術(shù)制作十字型試樣，避免了二次成型或成型后機(jī)械銑薄而造成的初始損傷或分層。
[0012]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了中心區(qū)應(yīng)力均勻且應(yīng)力水平較高的雙軸加載十字型試樣，測試性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)各種比例的雙軸靜態(tài)拉伸或壓縮加載及拉-拉、拉-壓、壓-壓雙軸疲勞加載情況；結(jié)構(gòu)簡單，成型工藝簡單易行，成型模具可反復(fù)使用，降低試驗(yàn)成本。
[0013]一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣，其特征在于，加載臂空心區(qū)位于加載臂的對稱軸線上，呈長條形，靠近中心區(qū)的一端呈半圓形。該結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)十字型試樣中心區(qū)應(yīng)力水平，減弱其他區(qū)域的應(yīng)力集中。
[0014]一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣，其特征在于，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?qū)雍?，中心區(qū)上下兩面對稱減薄，形成中心試驗(yàn)區(qū)層板厚度小于加載臂及過渡區(qū)層板厚度。該成型制作方法簡單易行，且一次固化成型便可實(shí)現(xiàn)試樣制作，節(jié)約制作時間，降低了試驗(yàn)成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的成型模具上模示意圖；
圖3為本發(fā)明的成型模具下模示意圖；
圖4為本發(fā)明的成型模具裝配示意圖；
圖中各標(biāo)號名稱:1、加載臂夾持端，2、加載臂空心區(qū)，3、錐形過渡區(qū)，4、圓弧過渡倒角，
5、減薄過渡區(qū)，6、中心試驗(yàn)區(qū)。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例的方式，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣，其特征在于，該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設(shè)置有加載臂空心區(qū)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(shè)有過渡區(qū)，該過渡區(qū)由錐形過渡區(qū)3及圓弧過渡倒角4構(gòu)成；
四個加載臂根部之間為試樣中心區(qū)，試樣中心區(qū)的中間區(qū)域?yàn)橹行脑囼?yàn)區(qū)6，中心試驗(yàn)區(qū)6與加載臂根部之間設(shè)有減薄過渡區(qū)5。
[0017]加載臂有四個，成十字交叉型對稱結(jié)構(gòu)，包括夾持端I及加載臂空心區(qū)2，加載臂空心區(qū)2位于加載臂的對稱軸線上，呈長條形，靠近中心區(qū)的一端呈半圓形，起增強(qiáng)中心區(qū)應(yīng)力水平作用。
[0018]過渡區(qū)位于每個加載臂與中心區(qū)之間，包括錐形過渡區(qū)3及圓弧過渡倒角4，錐形過渡區(qū)3起應(yīng)力傳遞及放大的作用，圓弧過渡倒角4降低應(yīng)力集中效應(yīng)。
[0019]中心區(qū)位于整個試樣的中心位置，處于加載臂及過渡區(qū)的旋轉(zhuǎn)及對稱中心，包括減薄過渡區(qū)5及中心試驗(yàn)區(qū)6，減薄過渡區(qū)5位于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(yàn)區(qū)6形狀與其類似，屬于材料雙軸應(yīng)力狀態(tài)測試區(qū)域。
[0020]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小時后起模修邊而成。該十字型試樣的制作工藝如下:
1)清理模具，并將上下兩個模具(如圖2、圖3所示)上涂抹低溫油脂，按照凹模形狀剪好聚酯塑料薄膜，貼在模具上；
2)按十字型試樣形狀剪裁好纖維布；
3)配制好膠液；
4)分別在上下兩個凹模內(nèi)對稱鋪貼纖維布，并逐層刷好膠液，鋪層順序采用[0° /45。/-45。/90° ]n;
5)纖維布及膠液完全鋪貼好后，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余膠液；
6)將整個模具放入高溫環(huán)境箱，60°C熱處理12小時后取出，冷卻至室溫后脫模，去除粗糖毛邊。
[0021]至此，即可得可用于雙軸加載的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料十字型試樣。
[0022]將此十字型試樣四個加載臂夾持端夾持到雙軸加載設(shè)備的四個夾頭上，并可通過控制雙軸加載設(shè)備的操作系統(tǒng)進(jìn)行需要的雙軸加載試驗(yàn)。進(jìn)行雙軸加載試驗(yàn)的主要步驟如下:
1)將十字型試樣中心試驗(yàn)區(qū)上下兩面中心貼上應(yīng)變片以備采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集線連接應(yīng)變采集儀及計(jì)算機(jī)；
2)控制雙軸加載設(shè)備四個夾頭停至適當(dāng)位置，將十字型試樣夾持端放于試驗(yàn)機(jī)夾頭內(nèi)，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(yàn)機(jī)中心點(diǎn)重合；
3)可以采用負(fù)荷控制或位移控制方式，設(shè)置加載速率，均勻加載，并定時采集應(yīng)變；若進(jìn)行雙軸疲勞加載測試，需設(shè)定載荷譜，輸入雙軸試驗(yàn)機(jī)，雙軸同時加載，并定時采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣，其特征在于， 該試樣整體呈十字型，具有四個加載臂，每個加載臂均設(shè)置有加載臂空心區(qū)(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(shè)有過渡區(qū)，該過渡區(qū)由錐形過渡區(qū)(3)及圓弧過渡倒角(4)構(gòu)成； 四個加載臂根部之間為試樣中心區(qū)，試樣中心區(qū)的中間區(qū)域?yàn)橹行脑囼?yàn)區(qū)(6)，中心試驗(yàn)區(qū)(6)與加載臂根部之間設(shè)有減薄過渡區(qū)(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣，其特征在于，上述加載臂空心區(qū)(2)位于加載臂的對稱軸線上，呈長條形，靠近中心區(qū)的一端呈半圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣，其特征在于，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?qū)雍?，中心區(qū)上下兩面對稱減薄，形成中心試驗(yàn)區(qū)層板厚度小于加載臂及過渡區(qū)層板厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣的制備方法，其特征在于包括以下過程: 1)準(zhǔn)備好兩個帶有十字型試樣形狀的對稱凹模，對稱凹模內(nèi)部均設(shè)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(shè)有鎖緊裝置； 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，纖維布完全鋪好后將兩個模具合在一起，鎖緊，擠出多余膠液，60°C熱處理12小時后固化，冷卻后起模，將多余的粗糙毛邊修去，即可得十字型試樣。
5.權(quán)利要求1所述的用于雙軸力學(xué)測試的十字型試樣的應(yīng)用，其特征在于包括以下過程:將此十字型試樣四個加載臂夾持端夾持到雙軸加載設(shè)備的四個夾頭上，并通過控制雙軸加載設(shè)備的操作系統(tǒng)進(jìn)行需要的雙軸加載試驗(yàn)，進(jìn)行雙軸加載試驗(yàn)的主要步驟如下: 1)將十字型試樣中心試驗(yàn)區(qū)上下兩面中心貼上應(yīng)變片以備采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集線連接應(yīng)變采集儀及計(jì)算機(jī)； 2)控制雙軸加載設(shè)備四個夾頭停至適當(dāng)位置，將十字型試樣夾持端放于試驗(yàn)機(jī)夾頭內(nèi)，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(yàn)機(jī)中心點(diǎn)重合； 3)采用負(fù)荷控制或位移控制方式，設(shè)置加載速率，均勻加載，并定時采集應(yīng)變；進(jìn)行雙軸疲勞加載測試，需設(shè)定載荷譜，輸入雙軸試驗(yàn)機(jī)，雙軸同時加載，并定時采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01N3/08GK104236974SQ201410473320
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】蔡登安, 周光明 申請人:南京航空航天大學(xué)