單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸測試加載裝置及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及復(fù)合材料力學(xué)測試領(lǐng)域，具體涉及單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸測試加載裝置及其測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強復(fù)合材料具有比強度高、比模量高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在能源、軍事以及交通運輸領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著纖維增強復(fù)合材料的大量應(yīng)用，其力學(xué)性能測試方法也受到了廣泛關(guān)注。通過纖維增強復(fù)合材料的拉伸測試可以獲得材料的拉伸強度、彈性模量以及泊松比等力學(xué)性能參數(shù)，對安全可靠的應(yīng)用復(fù)合材料具有重要指導(dǎo)意義。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中纖維增強復(fù)合材料拉伸測試方法大多依據(jù)GB/T 1040.4-2006、GB/T1040.5-2008、ASTM C1359以及ASTM D3039等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行?，F(xiàn)有技術(shù)中大多采用楔形夾具、銷釘形夾具或者燕尾形夾具對纖維增強復(fù)合材料拉伸試樣進(jìn)行加載，這些方法可以較好的實現(xiàn)單向纖維增強復(fù)合材料沿纖維方向的拉伸測試以及編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉伸測試。但單向纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能具有顯著的方向性，即沿著纖維方向具有較高的拉伸強度，而垂直于纖維方向的拉伸強度較低并且纖維束間的結(jié)合力很弱。利用現(xiàn)有技術(shù)對單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向進(jìn)行拉伸測試時失效部位容易出現(xiàn)在拉伸試樣的夾持段，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)無效。其中楔形夾具通過夾具的楔形塊沿試樣厚度方向進(jìn)行夾緊，夾持段與試驗段之間區(qū)域的應(yīng)力梯度較大，夾持段在楔形塊夾緊力的作用下會產(chǎn)生較大的損傷，當(dāng)夾持力較大時會直接將試樣的夾持段壓扁，造成試樣在夾持段的邊界出現(xiàn)纖維束間開裂從而導(dǎo)致拉伸試樣在測試過程中出現(xiàn)端部失效。銷釘形夾具測試方法需要在試樣的夾持段開孔，對于橫向強度較低的單向纖維增強復(fù)合材料來說，極易在圓孔應(yīng)力集中處發(fā)生過早失效，造成試驗失敗。燕尾形加載方式通過夾具的斜面對試樣傳遞拉伸載荷，對于橫向強度較低的單向纖維增強復(fù)合材料來說在接觸面發(fā)生失效的概率較大。
[0004]中國專利CN103018101A《一種用于陶瓷基復(fù)合材料高溫拉伸測試的夾具》中公開的拉伸夾具能用于大部分結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，但用于單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸測試時試樣會在夾具接觸面處發(fā)生失效。中國專利CN104634656A《復(fù)合材料單軸拉伸試驗夾具》中公開了一種非夾緊式復(fù)合材料拉伸夾具。這種夾具與燕尾形夾具類似，容易在接觸面處發(fā)生失效。該夾具設(shè)計有與試驗件相配合的圓弧面，但加工誤差會使兩者之間產(chǎn)生配合間隙導(dǎo)致試樣受力不均，影響試驗精度。對于圓弧尺寸不同的試驗件該夾具不能通用，需按照試樣圓弧尺寸重新加工夾具，增加了試驗成本。中國專利CN203941063U《超薄金屬板帶高溫拉伸試驗夾具》中公開了一種用于板狀試樣的拉伸夾具。該夾具采用螺栓連接夾緊試樣，因此夾持段受力不均勻容易發(fā)生打滑。此外，現(xiàn)有技術(shù)公開的技術(shù)方案中均未涉及組合夾具零部件間配合間隙消除問題的解決辦法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能避免試驗機夾持力對試樣造成損傷，確保單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸試驗可以順利開展、消除夾具部件之間的連接間隙，提高測試精度、試件能精確對中的單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸測試加載裝置及其測試方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸測試加載裝置，其中:包括上夾持桿、加載框、傳力片以及下夾持桿；傳力片分為上傳力片和下傳力片，上傳力片粘貼于單向纖維增強復(fù)合材料試件的上端，下傳力片粘貼于單向纖維增強復(fù)合材料試件的下端，單向纖維增強復(fù)合材料試件中的纖維垂直于拉伸測試方向，加載框包括上加載框和下加載框，上傳力片固定安裝在上加載框中，下傳力片固定安裝在下加載框中，上夾持桿與上加載框固定連接，下夾持桿與下加載框固定連接。
[0007]為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括:
上述的上加載框和下加載框均為帶開口的框架結(jié)構(gòu)，上加載框和下加載框的內(nèi)框開口面上均設(shè)有定位長槽，傳力片上與定位長槽位置對應(yīng)處設(shè)有定位凸起，定位凸起能卡入定位長槽中使傳力片與對應(yīng)的加載框固定配合。
[0008]上述的上加載框的上端面以及下加載框的下端面的中心處均開有螺紋孔，上夾持桿和下夾持桿均一端設(shè)有螺紋，另一端為光桿，上夾持桿的螺紋端旋入上加載框的螺紋孔；拉伸測試加載裝置還包括螺紋連接桿、間隙消除螺母，螺紋連接桿的一端旋入下加載框的螺紋孔，另一端旋入間隙消除螺母的一側(cè)，下夾持桿的螺紋端旋入間隙消除螺母的另一側(cè)；間隙消除螺母兩側(cè)的螺紋旋向相反，當(dāng)旋轉(zhuǎn)間隙消除螺母時，能使螺紋連接桿和下夾持桿相互靠近或遠(yuǎn)離。
[0009]上述的上傳力片為兩片，一正一反地粘貼于單向纖維增強復(fù)合材料試件的上端，下傳力片為兩片，一正一反地粘貼于單向纖維增強復(fù)合材料試件的下端；每片傳力片中部均設(shè)置有凹槽，凹槽的深度為單向纖維增強復(fù)合材料試件厚度的二分之一，凹槽的形狀與單向纖維增強復(fù)合材料試件端部形狀相匹配，單向纖維增強復(fù)合材料試件端部伸入凹槽中與傳力片粘合。
[0010]上述的凹槽為外側(cè)寬、內(nèi)側(cè)窄的槽體結(jié)構(gòu)。
[0011]上述的定位長槽為V形槽，相應(yīng)地，定位凸起為V形凸起。
[0012]上述的間隙消除螺母一端倒有圓角用于標(biāo)記方位，間隙消除螺母倒圓角的一端與螺紋連接桿相連，間隙消除螺母未倒圓角的一端與下夾持桿相連，間隙消除螺母具有便于扳手旋轉(zhuǎn)操作的扳手位。
[0013]上述的傳力片與單向纖維增強復(fù)合材料試件粘貼時使用的膠水為環(huán)氧樹脂膠水或丙烯酸酯膠水，膠水均勻的涂抹在凹槽內(nèi)。
[0014]單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸測試方法，包括以下步驟:
步驟一、取兩對傳力片并在傳力片上均勻涂抹膠水，然后將傳力片粘貼到單向纖維增強復(fù)合材料試件兩端的夾持段；
步驟二、啟動拉伸試驗機并松開試驗機的上夾頭鉗口與下夾頭鉗口 ；
步驟三、將上夾持桿與上加載框相連，然后將上夾持桿的光桿部分放入試驗機上夾頭鉗口中，操作試驗機夾緊上夾頭鉗口 ； 步驟四、將單向纖維增強復(fù)合材料試件上端的上傳力片裝入上加載框中，使上傳力片與上加載框相固定；
步驟五、設(shè)置拉伸試驗機載荷傳感器，將載荷傳感器的示數(shù)置零；
步驟六、將下加載框與螺紋連接桿連接，將螺紋連接桿與間隙消除螺母連接，將下夾持桿旋入間隙消除螺母；
步驟七、將單向纖維增強復(fù)合材料試件下端的下傳力片裝入下加載框中，使下傳力片與下加載框相固定；
步驟八、設(shè)置拉伸試驗機為位移控制模式，通過位移控制器調(diào)整試驗機橫梁的位置使下夾持桿的光桿部分深入到下夾頭的鉗口中，然后夾緊下夾頭鉗口 ；
步驟九、將試驗機位移傳感器示數(shù)歸零；
步驟十、旋轉(zhuǎn)間隙消除螺母，消除試樣加載組件之間的連接間隙；
步驟十一、設(shè)置拉伸試驗機為力控制模式，對單向纖維增強復(fù)合材料試件開始拉伸測試直至試樣發(fā)生斷裂；
步驟十二、讀取拉伸試驗機力傳感器數(shù)據(jù)與位移傳感器數(shù)據(jù)，得到試樣的拉伸載荷-位移曲線以及最大拉伸載荷。
[0015]步驟^^一中拉伸測試的加載速度為0.02kN/so
[0016]本發(fā)明的具有以下積極效果:
(1)本發(fā)明的加載框?qū)⒃囼灆C的拉伸載荷傳遞到傳力片上，傳力片通過粘接試樣與傳力片的膠水將載荷傳遞到試樣表面對試樣進(jìn)行載荷施加，從而使得加載時試樣在厚度方向沒有壓緊力的作用，避免了直接加載時試驗機夾持力對試樣造成的損傷，確保了單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸試驗可以順利的開展。
[0017](2)本發(fā)明傳力片與加載框中分別設(shè)置了 V形定位凸起與V形定位長槽，通過兩者的配合便可以保證試樣的精確對中，確保了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0018](3)本發(fā)明只需通過調(diào)整傳力片的槽深與槽寬便可以應(yīng)用于不同厚度不同寬度的試樣，試驗裝置的適用范圍廣，試驗成本低。
[0019](4)本發(fā)明設(shè)置了間隙消除螺母，該螺母兩端設(shè)計了旋向相反的螺紋，旋轉(zhuǎn)間隙消除螺母可以使夾具與下連接桿產(chǎn)生相向運動，以此消除夾具部件之間的連接間隙，提高了測試精度。
【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明上夾持桿示意圖；
圖2本發(fā)明加載框示意圖；
圖3本發(fā)明傳力片示意圖；
圖4單向纖維增強碳/碳復(fù)合材料長條形拉伸試樣示意圖；
圖5本發(fā)明螺紋連接桿示意圖；
圖6本發(fā)明間隙消除螺母示意圖；
圖7本發(fā)明下夾持桿示意圖；
圖8本發(fā)明傳力片與單向纖維增強碳/碳復(fù)合材料長條拉伸試樣配合關(guān)系示意圖；
圖9本發(fā)明加載夾持裝置與拉伸試樣裝配示意圖；圖10單向纖維增強樹脂基復(fù)合材料狗骨形拉伸試樣示意圖；
圖11本發(fā)明傳力片與單向纖維增強樹脂基復(fù)合材料狗骨拉伸試樣配合關(guān)系示意圖；圖12單向纖維增強陶瓷基復(fù)合材料燕尾形拉伸試樣示意圖；
圖13本發(fā)明燕尾槽傳力片示意圖；
圖14本發(fā)明燕尾槽傳力片與單向纖維增強陶瓷基復(fù)合材料燕尾形拉伸試樣配合關(guān)系示意圖。
[0021]圖中單向纖維增強復(fù)合材料試件4上的橫條代表纖維。
[0022]其中的附圖標(biāo)記為:上夾持桿1、加載框2、上加載框21、下加載框22、定位長槽23、傳力片3、凹槽3a、上傳力片31、下傳力片32、定位凸起33、單向纖維增強復(fù)合材料試件
4、螺紋連接桿5、間隙消除螺母6、下夾持桿7。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說明。
[0024]第一實施例:
單向纖維增強復(fù)合材料垂直于纖維方向的拉伸測試加載裝置，包括上夾持桿1、加載框2、傳力片3、螺紋連接桿5、間隙消除螺母6以及下夾持桿7 ;上夾持桿1 一端設(shè)有右旋螺紋，另一端為光桿；下夾持桿7 —端設(shè)有左旋螺紋，另一端為光桿；加載框2為完全相同的兩個上加載框21、下加載框22,其中上加載框21與上夾持桿1相連，下加載框22與螺紋連接桿5相連；加載框2為帶開口的長方體框架結(jié)構(gòu)，其上端面的中心處開有右旋螺紋孔，內(nèi)框開口面上對稱設(shè)有與加載框2厚度相同的V形定位長槽；所述傳力片3設(shè)有完全相同的四片，分別粘貼于單向纖維增強碳/碳復(fù)合材料長條形拉伸試樣的兩端；傳力片3為帶有凹槽的長方體，凹槽的深度為單向纖維增強碳/碳復(fù)合材料長條形拉伸試樣厚度的1/2，凹槽的