一种适用于单向纤维增强塑料压缩试验装置及方法与流程

本发明涉及复合材料力学性能测试领域，特别涉及一种适用于单向纤维增强塑料压缩试验装置及方法。

背景技术：

1、单向纤维增强塑料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、抗疲劳性能优异等特点，已广泛应用于航空航天、船舶与海洋工程、轨道交通及低温储运装备等领域。随着液化天然气（lng）运输船、液氢储罐、深海装备及极地工程等领域的快速发展，单向纤维增强塑料在低温环境下的力学性能评价需求日益增加，其中压缩性能是评价材料承载能力和结构稳定性的重要指标之一。单向纤维增强塑料压缩试验主要用于测定材料在轴向压缩载荷作用下的压缩强度、压缩模量等性能参数。gb/t3856《单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法》提供了一种试验方法，该方法通常采用两端粘贴加强片的平板试样，通过楔形夹块夹持试样两端，再利用外套筒对楔块进行固定，试验过程中由试验机向夹具施加轴向压缩载荷，进而使试样压缩破坏。

2、然而，该方法应用于液氮低温（-196℃）或更低温度环境时，现有夹持结构存在以下不足：（1）低温热收缩导致夹持力下降。由于夹具及试样材料在降温过程中存在不同程度的热收缩，虽然在室温状态下夹持系统能够形成足够夹紧力，但在液氮低温环境中，夹持结构收缩后原有预紧力下降，导致夹持力不足，试样与夹持面之间容易发生相对滑移，造成试验失败。（2）胶层低温脆化导致加强片脱落。加强片与试样之间的胶粘剂在低温条件下出现脆化和界面强度下降现象，胶层难以承受加载过程中产生的剪切应力与剥离应力。在拉伸载荷持续增加过程中，加强片区域首先发生界面失效，最终导致加强片脱落，试样无法在标距段内实现有效断裂。（3）试样夹持对中精度难以保证。单向纤维增强塑料压缩强度较高，而压缩失效对应变状态极为敏感，试验过程中如果试样中心线与加载轴线存在偏差，则会产生附加弯矩，使试样处于压缩-弯曲复合受力状态，造成结果偏差。（4）对于高模量、薄板材料，在压缩过程中容易发生局部屈曲或失稳，导致试样在达到真实压缩强度之前提前失效。

3、公开号：cn112763342a一种复合材料高温压缩工装及拉伸试验机中设计了一种高温下使用的压缩试验装置，此装置不具备低温测试能力。公开号：cncn115266394a一种测量热塑性复合材料平板压缩性能的系统和方法设计了一种用于高低温环境下测量复合材料平板压缩性能的装置，可实现-80~200℃的高低温疲劳试验，但无法实现更低温度的环境，尤其是液氮环境。由以上分析可以看出，现有技术缺乏一种能够在液氮低温环境下实现试样稳定夹持、自动对中、载荷可靠传递及试样稳定加载的压缩试验装置。

4、公开号：cn121521599a一种柔性材料高低温压缩试验方法，包括了一种压缩夹具，该夹具由下压盘、至少三个通过螺纹固定于下压盘的销轴，以及一个开有通孔的上压盘组成；通孔位置与销轴对齐，且孔径略大于销轴直径；同时也包括了一种利用力学公式修正实验设备引起的不准确测试数据的补偿算法。但是该技术方案通过加热装置对高温压缩盖板加热、通过冷却装置对低温压缩平台冷却，使试验件的上下端面分别处于高温和低温状态，从而在试验件仅受高低温度载荷条件下展开压缩试验，通过上下压板的相对运动实现压缩，其解决的是单一温度环境无法准确检测温差工况下构件力学性能的问题。

5、公开号：cn116840068a试验环境温度可控的压缩试验机及其使用方法，通过采用加热装置与高温压缩盖板连接，用于对高温压缩盖板进行加热；通过采用冷却装置与低温压缩平台连接，用于对低温压缩平台进行冷却，通过温度控制装置和控制终端对高温压缩盖板和低温压缩平台温度进行调控，并通过密封和抽真空处理避免环境温度和内部空气对流对试验件温度分布造成影响，在试验件仅受高低温度载荷条件下展开压缩试验。但是该技术方案技术构思是通过销轴与通孔的间隙配合实现试样的轴向压缩固定，并通过力学公式修正实验设备引起的不准确测试数据，解决如何修正传感器弯曲变形和加长杆偏斜引起的数据误差。

6、为此，亟需提出一种适用于单向纤维增强塑料压缩试验装置及方法，解决现有单向纤维增强塑料压缩试验在液氮低温下存在夹持力衰减、加强片易脱落、试样对中性差、易发生屈曲等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种适用于单向纤维增强塑料压缩试验装置及方法，解决现有单向纤维增强塑料压缩试验在液氮低温下存在夹持力衰减等问题。

2、本发明提供一种适用于液氮低温环境下单向纤维增强塑料压缩试验装置及方法，该装置通过设置预紧补偿夹持机构，采用预紧及二次锁紧方式连接试样与夹具，避免低温热收缩导致夹持力下降及试样打滑的问题；设置同轴导向机构及球面调心垫块，提高试样加载同轴度，保证低温环境下压缩载荷的稳定传递；在试样工作段两侧对称设置防屈曲约束板，对试样提供侧向支撑，有效抑制压缩过程中的屈曲变形。本发明能够显著提高低温压缩试验结果的准确性、稳定性和重复性，满足单向纤维增强塑料低温压缩性能的评价需求。

3、本发明的技术方案是这样实现的：

4、本发明第一个目的是公开了一种适用于单向纤维增强塑料压缩试验装置，包括用于夹持试样两端的上夹持组件和下夹持组件，其特征在于，所述上夹持组件和/或所述下夹持组件包括：

5、相对设置的两个夹持部件，两者之间形成用于容纳试样的夹持空间；

6、锁紧单元，连接于所述两个夹持部件之间，用于施加使所述两个夹持部件相对靠近的作用力；

7、弹性补偿单元，设置于所述锁紧单元与至少一个所述夹持部件之间，所述弹性补偿单元用于补偿因温度变化导致的所述两个夹持部件相对位移而产生的夹持力损失。

8、可选的，所述弹性补偿单元为碟形弹簧、螺旋弹簧或弹性垫圈。

9、可选的，至少一个所述夹持部件的外侧设置有施力接口，所述施力接口用于接受外部加载力以驱动所述两个夹持部件进一步相对靠近。

10、可选的，所述施力接口为设置于所述夹持部件外侧的凸台、凹槽或平面承载结构。

11、可选的，还包括导向组件，所述导向组件设置于所述上夹持组件和/或所述下夹持组件上，用于约束夹持部件沿加载方向运动；所述导向组件包括导向杆和导向槽，所述导向杆插入所述导向槽内形成滑动副。

12、可选的，还包括调心组件，所述调心组件设置于所述下夹持组件的底部，用于自动调整所述下夹持组件的姿态以补偿装夹偏心误差；所述调心组件包括球面支撑结构和球面配合结构，所述球面支撑结构与所述球面配合结构形成球面副连接。

13、可选的，还包括防屈曲约束组件，所述防屈曲约束组件设置于试样工作段的两侧，用于对试样提供侧向支撑以抑制屈曲变形。

14、可选的，所述防屈曲约束组件包括防屈曲约束板和弹性支撑件，所述防屈曲约束板通过固定件与夹持部件连接，所述弹性支撑件设置于夹持部件与所述防屈曲约束板之间。

15、本发明另一个目的是公开了一种适用于单向纤维增强塑料压缩试验方法，基于上述任一项所述的适用于单向纤维增强塑料压缩试验装置，包括以下步骤：

16、将试样置于两个夹持部件之间的夹持空间内；

17、通过锁紧单元施加作用力，使两个夹持部件相对靠近以实现对试样的初始夹持；

18、将所述夹持组件置于低温环境中；

19、施加轴向压缩载荷直至试样失效，记录载荷与变形数据。

20、可选的，在所述初始夹持步骤之后，还包括通过设置于夹持部件外侧的施力接口施加外部载荷，使两个夹持部件进一步相对靠近以实现二次锁紧的步骤，其中，所述外部载荷f满足以下关系：0.4fm≤f≤0.6fm，其中fm为预计的最大压缩载荷。

21、相对于现有技术，本发明的一种适用于单向纤维增强塑料压缩试验装置及方法具有以下优势：

22、1.本发明通过预紧补偿组件与二次锁紧结构的协同作用，利用碟簧弹性变形动态补偿低温热收缩导致的夹持力损失，并结合外部施力接口实现二次锁紧，解决了现有压缩试验装置在液氮低温环境下夹持力衰减、试样与夹持面相对滑移及加强片脱落的技术难题，使改性后装置在-196℃液氮环境下夹持力保持率提升至95%以上，试样滑移率降低至0.1%以下，加强片脱落率降低为零，实现了低温条件下夹持稳定性和载荷传递可靠性的双重突破。

23、2.本发明通过在夹持组件中集成导向杆与导向槽滑动配合结构，并在下夹持组件底部设置球面副调心结构，利用导向约束保证夹持部件沿加载方向的精确运动轨迹，利用球面副自动补偿装夹偏心误差，解决了现有夹具对中精度差、试样中心线与加载轴线偏离产生附加弯矩导致压缩-弯曲复合失效的技术难题，使改性后试验装置加载同轴度误差控制在0.05mm以内，弯曲附加应力降低86%，实现了压缩载荷的纯轴向传递。

24、3.本发明通过在试样工作段两侧对称设置防屈曲约束板与弹性支撑件，利用间隙配合的沟槽提供侧向约束、利用弹性支撑提供自适应预压力，在允许试样轴向自由变形的前提下抑制侧向屈曲失稳，解决了高模量薄板试样在压缩过程中易发生局部屈曲导致提前失效的技术难题，使改性后试样标距段内真实压缩破坏有效率达100%，压缩强度测试数据标准差由传统方法的25mpa以上降低至7.02mpa，实现了脆性复合材料低温压缩性能评价的高精度和高可靠性。