一种孔挤压变形的测量装置和方法与流程

1.本公开涉及材料力学测量领域，尤其涉及一种孔挤压变形的测量装置和方法。


背景技术：

2.随着材料学的发展，越来越多的复合材料被应用于飞机制造，尤其是航空发动机的制造中。陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite，cmc)作为众多复合材料的一个典型，是以陶瓷为基体与各种纤维复合的复合材料，具有耐高温、强度高、模量小、密度小、和抗腐蚀性强等优点，在航空航天热端结构部件上具有广泛应用前景。
3.针对于陶瓷基复合材料，在其被应用于航空发动机的关键部件之前，有必要测试其各项材料力学属性。孔挤压性能是陶瓷基复合材料进行钉/销-孔连接设计时所参考的重要性能指标，通常由“单钉双剪”钉/销-孔挤压试验进行测量，其中孔边变形是最重要的测试量之一。
4.具体而言，陶瓷基复合材料的钉/销-孔挤压性能是指陶瓷基复合材料上的销钉孔在内环面上受到特定方向上的法向压力时所表现出的孔边变形和承载能力等力学行为的统称。对于此，需要采用专门的力学试验夹具作为材料力学参数测试试验中的工装夹具，将外部机械载荷以设计所需的形式传递到材料试验件上。
5.然而，目前针对陶瓷基复合材料的钉/销-孔挤压性能的测量装置的测量误差较大，精度较低，测量结果难以采信；测量参数单一，难以全面地反应陶瓷基复合材料的特性；并且测量过程繁琐，实验成功率较低。在这些因素的作用下，陶瓷基复合材料在航空发动机制造领域中的进一步推广应用受到了相当程度的限制。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本公开实施例提供一种孔挤压变形的测量装置和方法，能够提高对孔挤压变形的测量精度，尤其能够使陶瓷基复合材料的钉/销-孔挤压性能的测量更加准确，提高陶瓷基复合材料的进一步推广应用。
7.在本公开的一个方面，提供一种孔挤压变形的测量装置，包括：
8.实验板，开设有待测孔；
9.两个加载板，以板面贴合的方式对称设置于所述实验板厚度方向的两侧，在朝向所述实验板的一面设置有台阶结构，并且在跨越所述台阶结构不同厚度的区域开设有第一通孔；
10.加载螺钉，被配置为穿过两个所述第一通孔和所述待测孔，并通过螺母实现所述两个加载板和所述实验板的压紧紧固；
11.接触卡环，套设于所述实验板的外侧，可滑动地设置于所述台阶结构与所述实验板所形成的间隙之中，并与所述加载螺钉露出于所述加载板的部分外周面相接触；以及
12.引伸计，包括设置于所述接触卡环上的第一引脚和设置于所述实验板设定截面上的第二引脚，被配置为在所述实验板被施加载荷时测量所述第一引脚和所述第二引脚之间
的变形值。
13.在一些实施例中，所述台阶结构不同厚度区域的分界线重合于所述第一通孔的直径，并垂直于所述加载板的长度方向，所述第一引脚和所述第二引脚沿所述实验板的长度方向分别位于所述分界线的两侧。
14.在一些实施例中，所述引伸计为两个，分别设置于所述实验板宽度方向的两侧，所述接触卡环包括：
15.半圆卡槽，设置于所述接触卡环下端的中间区域，用以嵌设所述加载螺钉的部分外周面；以及
16.两个第一引脚槽，设置于所述接触卡环上端，并相对于所述半圆卡槽对称分布，用于分别固定两个所述引伸计的第一引脚。
17.在一些实施例中，所述测量装置还包括：
18.两个定位卡块，可滑动地分别贴设于所述实验板宽度方向的两个侧面，并分别设有第二引脚槽，用于分别固定两个所述引伸计的第二引脚。
19.在一些实施例中，所述第一引脚槽的开口朝向于所述接触卡环远离所述定位卡块的一侧，所述第二引脚槽的开口朝向于所述定位卡块远离所述接触卡环的一侧。
20.在一些实施例中，所述两个定位卡块对称设置于所述实验板宽度方向的两个侧面，并通过长螺栓和螺母互相夹紧连接，以使每个所述定位卡块贴紧于所述实验板。
21.在一些实施例中，所述定位卡块包括：
22.刀口，设置于所述定位卡块上端与所述实验板相对的一侧，且刀刃的方向平行于所述实验板的厚度方向；以及
23.滚轮，设置于所述定位卡块下端与所述实验板相对的一侧，并沿所述实验板的长度方向可滑动地接触于所述实验板。
24.在一些实施例中，所述滚轮包括轮体和从所述轮体两侧向外延伸的连接轴，所述定位卡块包括：
25.两个第一凹槽，开设于所述定位卡块的下端与所述滚轮共轴的区域，且开口朝向于所述实验板，用于容置所述滚轮的连接轴；以及
26.第二凹槽，开设于所述两个第一凹槽之间，且开口方向远离于所述刀口，用以容置所述滚轮的轮体。
27.在一些实施例中，所述两个加载板均设有第二通孔，且经过所述第二通孔中心和所述第一通孔中心的连线平行于所述实验板的长度方向，所述测量装置还包括：
28.上加载板，设有第三通孔，并通过穿过两个所述第二通孔和所述第三通孔的连接螺钉实现自身与所述两个加载板的连接。
29.在一些实施例中，所述实验板由陶瓷基复合材料制成，所述测量装置还包括：
30.铝制加强片，贴设于所述实验板远离所述待测孔一端的两侧板面。
31.在本公开的另一个方面，提供一种孔挤压变形的测量方法，包括以下步骤：
32.s01，通过加载螺钉穿过两个加载板上的第一通孔和实验板上的待测孔，再通过螺母进行压紧紧固；
33.s02，将接触卡环穿设于实验板，并使接触卡环上的半圆卡槽接触加载螺钉露出于两个加载板的外周面；
34.s03，将两个定位卡块通过长螺栓互相连接，使定位卡块贴设于实验板的侧面，并使定位卡块的刀口卡置于实验板侧面的第一设定位置；
35.s04，通过连接螺钉穿过两个加载板上的第二通孔和上加载板上的第三通孔，并通过螺母进行压紧紧固；
36.s05，将引伸计的第一引脚设置于接触卡环上的第一引脚槽，将第二引脚设置于定位卡块上的第二引脚槽；
37.s06，将上加载板与试验机的上夹头相连，将实验板上贴设加强片的区域与试验机的下夹头相连，按设定载荷启动试验机；以及
38.s07，收集两个引伸计的变形值测量值，并以两个变形值测量值的平均值表征实验孔的第一设定位置处的挤压变形值。
39.在一些实施例中，所述测量方法还包括以下步骤：
40.s11，完成测量后，将引伸计从接触卡环和定位卡块上拆除；
41.s12，松开连接两个定位卡块的长螺栓，调整定位卡块相对于实验板的位置，使定位卡块的刀口卡置于实验板侧面的第二设定位置后，重新将两个定位卡块通过长螺栓连接，使定位卡块贴设于实验板的侧面；以及
42.s13，重复步骤s04～s07，以获得第二设定位置所对应的实验孔的挤压变形值。
43.因此，根据本公开实施例，针对引伸计的两个引脚，分别设置与加载销钉相接触的接触卡环和相对于实验板宽度方向对称设置的两个定位卡块，不但避免了销钉变形对孔边变形量的测量干扰，还消除了加载不对中所可能引起的试验误差，从而解决了现有测量方案中对陶瓷基复合材料的孔边挤压变形测量相对误差较大的问题，有效提升了陶瓷基复合材料的孔边挤压变形的测量精度与测试效果。
附图说明
44.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
45.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
46.图1是根据本公开一些实施例的测量装置中实验板与加载板安装结构示意图；
47.图2是根据本公开一些实施例的测量装置中定位卡块的安装结构示意图；
48.图3是根据本公开一些实施例的测量装置中接触卡环的结构示意图；
49.图4是根据本公开一些实施例的测量装置中定位卡块的结构示意图；
50.图5是根据本公开一些实施例的测量装置中接触卡环处于装配中间状态的结构示意图；
51.图6是根据本公开一些实施例的测量装置中接触卡环和定位卡块安装完成状态的结构示意图；
52.图7是根据本公开一些实施例的测量装置处于装配完成状态的结构示意图。
53.图中：
54.1，实验板；11，待测孔；2，加载板；21，台阶结构；22，第一通孔；23，第二通孔；3，加载螺钉；4，接触卡环；41，半圆卡槽；42，第一引脚槽；5，引伸计；51，第一引脚；52，第二引脚；6，定位卡块；61，第二引脚槽；62，刀口；63，滚轮；631，轮体；632，连接轴；64，第一凹槽；65，
第二凹槽；7，长螺栓；8，上加载板；81，第三通孔；9，铝制加强片。
55.应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
56.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
57.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
58.在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
59.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
60.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
61.申请人研究发现，由于陶瓷基复合材料的弹性模量比较高，在室温条件下与常见金属材料的模量相近甚至更高，因此在加载过程中，相比于陶瓷基复合材料孔边较小的挤压变形，金属加载板和加载销钉所产生的加载变形相对会比较大。
62.现有的孔边挤压应变测量工装夹具中，引伸计的测量臂通常被固定在金属加载板和被测材料板上，因此由引伸计所测得的变形值包括了金属加载板、加载销钉和被测材料板这三者的加载变形之和，若以测量值作为陶瓷基复合材料孔的挤压变形量，则会造成较大的孔边变形测量相对误差，影响后续的试验分析和试验结果应用。
63.有鉴于此，如图1～7所示，为了提高对孔挤压变形的测量精度，尤其使陶瓷基复合材料的钉/销-孔挤压性能的测量更加准确，提高陶瓷基复合材料的进一步推广应用，在本公开的一个方面，提供一种孔挤压变形的测量装置，包括实验板1、两个加载板2、加载螺钉3、接触卡环4以及引伸计5。
64.其中的实验板1开设有待测孔11；两个加载板2以板面贴合的方式对称设置于实验板1厚度方向的两侧，在朝向实验板1的一面设置有台阶结构21，并且在跨越台阶结构21不
同厚度的区域开设有第一通孔22；加载螺钉3被配置为穿过两个第一通孔22和待测孔11，并通过螺母实现两个加载板2和实验板1的压紧紧固；而接触卡环4套设于实验板1的外侧，可滑动地设置于台阶结构21与实验板1所形成的间隙之中，并与加载螺钉3露出于加载板2的部分外周面相接触。引伸计5则包括设置于接触卡环4上的第一引脚51和设置于实验板1设定截面上的第二引脚52，并被配置为在实验板1被施加载荷时测量第一引脚51和第二引脚52之间的变形值。
65.本公开实施例在陶瓷基复合材料“单钉双剪”钉孔挤压性能测试试验的基础上，通过在两个加载板2的厚度方向上加工台阶特征，进而使得两个加载板2与被测陶瓷基复合材料实验板1在重叠区域的上半部分之间形成间隙空间，使得加载销钉与陶瓷基复合材料孔发生挤压接触的一面沿轴线方向上漏出一部分外表面。在此基础上，设置接触卡环4的结构为近似矩形，使其套过陶瓷基复合材料制成的试验板的一端，并使其两条边分别位于上述间隙空间内，以实现接触卡环4与加载销钉的外表面之间的接触。
66.加载过程中，上述露出的加载销钉的外表面的位移变化与陶瓷基复合材料的孔的挤压变形是最相近的。由此，利用上述加载销钉的外表面的位移变化等效陶瓷基复合材料的孔的挤压变形，就可以消除加载板2和加载销钉的加载变形，显著提高测量精度。
67.进一步的，为了确保接触卡环4与加载销钉之间表面接触的紧密性，接触卡环4包括半圆卡槽41和两个第一引脚槽42，其中的半圆卡槽41设置于接触卡环4下端的中间区域，用以嵌设加载螺钉3的部分外周面；而两个第一引脚槽42则设置于接触卡环4上端，并相对于半圆卡槽41对称分布，用于分别固定两个引伸计5的第一引脚51。
68.接触卡环4的两侧板的下端加工有居中的半圆卡槽41，该半圆卡槽41与从缝隙区域露出的加载销钉的外表面相互接触限位，进而实现接触卡环4与加载销钉的外表面之间的相对固定。
69.而为了保证接触卡环4的半圆卡槽41卡设于加载销钉的上半圆周，防止接触卡环4被两个加载板2的台阶结构21所顶起而影响测量精度，加载板2的台阶结构21不同厚度区域的分界线重合于第一通孔22的直径，并垂直于加载板2的长度方向，第一引脚51和第二引脚52沿实验板1的长度方向分别位于分界线的两侧。
70.此外，申请人进一步研究发现，现有的测试方案中通常采用单侧引伸计5测量钉/销-孔的挤压变形，因而难以消除由于加载不对中而引起的测量误差。本公开通过在试验板两侧对称布置两个引伸计5，并将引伸计5的一个引脚固定在与陶瓷基复合材料的孔发生挤压接触的加载销钉的一侧外表面，另一个引脚固定在被测材料板侧面的可变指定位置，进而可以显著提升待测孔11边挤压变形的测量精度，减小测量误差，改善试验效果。
71.为了使第二引脚52在被测材料板的侧面的位置可变，在一些实施例中，测量装置还包括两个定位卡块6，分别可滑动地贴设于实验板1宽度方向的两个侧面，并分别设有第二引脚槽61，用于分别固定两个引伸计5的第二引脚52。而上述两个定位卡块6对称设置于实验板1宽度方向的两个侧面，并通过长螺栓7和螺母互相夹紧连接，以使每个定位卡块6贴紧于实验板1。
72.为了使定位卡块6在进行测量时相对于实验板1侧面的位置被固定，定位卡块6包括刀口62，刀口62设置于定位卡块6上端与实验板1相对的一侧，且刀刃的方向平行于实验板1的厚度方向；而为了使定位卡块6在两侧测量之间的位置可被调整，定位卡块6还包括滚
轮63，设置于定位卡块6下端与实验板1相对的一侧，并沿实验板1的长度方向可滑动地接触于实验板1。
73.定位卡块6与试验板之间通过一端的刀口62压实接触而实现相互间的定位，另一端通过滑轮的转动进而确保定位卡块6只随着刀口62压实位置所在的试验件横截面的位置变化而变化，防止相对错动的发生。
74.而为了使引伸计5的两个引脚的设置位置稳固，减少引伸计5错动打滑的风险，提高试验的成功率，在一些实施例中，第一引脚槽42的开口朝向于接触卡环4远离定位卡块6的一侧，第二引脚槽61的开口朝向于定位卡块6远离接触卡环4的一侧。
75.也即，在接触卡环4的两侧板上设计加工有卡槽，与测量孔挤压变形的引伸计5的一个引脚的刀口62卡置固定，在定位卡块6的另一外侧面同样加工有卡槽，用于引伸计5另外一个引脚的刀口62的插入和相对固定。
76.通过上述接触卡环4和定位卡块6，可以将加载过程中加载销钉所露出外表面的位移值相对于实验板1某一特定横截面的位移变化传递到双侧两个引伸计5的测量臂上，进而测量出加载过程中两者间的相对位置变化。
77.由于加载销钉所露出的外表面的位移变化值最接近于待测孔11的挤压变形值，所以测试加载过程中通过双侧的两个引伸计5测量计算获得的变形值，也即两个引伸计5所测变形值的平均值，能够精准的表征待测孔11相对于实验板1某一指定横截面的挤压变形值。
78.上述双侧引伸计5测量计算获得的变形值由于不包括金属加载板2和加载销钉所产生的加载变形值，相比于现有测量方案能够更为精准的表征待测孔11的挤压变形值，减小测量相对误差，改善试验测试结果。此外，通过采用双侧两个引伸计5测得的变形值计算获得的变形平均值表征待测孔11的挤压变形值，可以消除加载不对中引起的试验误差，进一步增加了测量结果的准确性。
79.在上述改善效果的基础上，实验板1的横截面位置可以按需调整，比如待测孔11中心所在的试验件横截面、待测孔11边缘上下端所在的试验件横截面，从而增加了本公开所提供的测量装置的使用范围和试验的可设计性。
80.为了在定位卡块6上设置可拆卸的滚轮63，在一些实施例中，滚轮63包括轮体631和从轮体631两侧向外延伸的连接轴632，而基于滚轮63的结构，定位卡块6包括两个第一凹槽64和一个第二凹槽65，其中两个第一凹槽64开设于定位卡块6的下端与滚轮63共轴的区域，且开口朝向于实验板1，用于容置滚轮63的连接轴632；而第二凹槽65开设于两个第一凹槽64之间，且开口方向远离于刀口62，用以容置滚轮63的轮体631。
81.为了避免测量过程中损伤实验板1：
82.一方面，在一些实施例中，两个加载板2均设有第二通孔23，且经过第二通孔23中心和第一通孔22中心的连线平行于实验板1的长度方向，测量装置还包括上加载板8，上加载板8设有第三通孔81，并通过穿过两个第二通孔23和第三通孔81的连接螺钉实现自身与两个加载板2的连接。
83.另一方面，在一些实施例中，由于实验板1由陶瓷基复合材料制成，测量装置还设有铝制加强片9，铝制加强板贴设于实验板1远离待测孔11一端的两侧板面，从而避免试验机的下夹头对实验板1的损伤。
84.在本公开的另一个方面，提供一种孔挤压变形的测量方法，包括以下步骤：
85.s01，通过加载螺钉3穿过两个加载板2上的第一通孔22和实验板1上的待测孔11，再通过螺母进行压紧紧固；
86.s02，将接触卡环4穿设于实验板1，并使接触卡环4上的半圆卡槽41接触加载螺钉3露出于两个加载板2的外周面；
87.s03，将两个定位卡块6通过长螺栓7互相连接，使定位卡块6贴设于实验板1的侧面，并使定位卡块6的刀口62卡置于实验板1侧面的第一设定位置；
88.s04，通过连接螺钉穿过两个加载板2上的第二通孔23和上加载板8上的第三通孔81，并通过螺母进行压紧紧固；
89.s05，将引伸计5的第一引脚51设置于接触卡环4上的第一引脚槽42，将第二引脚52设置于定位卡块6上的第二引脚槽61；
90.s06，将上加载板8与试验机的上夹头相连，将实验板1上贴设加强片的区域与试验机的下夹头相连，按设定载荷启动试验机；以及
91.s07，收集两个引伸计5的变形值测量值，并以两个变形值测量值的平均值表征实验孔的第一设定位置处的挤压变形值。
92.进一步的，为了实现对实验板1多个截面的变形值的采集，在一些实施例中，测量方法还包括以下步骤：
93.s11，完成测量后，将引伸计5从接触卡环4和定位卡块6上拆除；
94.s12，松开连接两个定位卡块6的长螺栓7，调整定位卡块6相对于实验板1的位置，使定位卡块6的刀口62卡置于实验板1侧面的第二设定位置后，重新将两个定位卡块6通过长螺栓7连接，使定位卡块6贴设于实验板1的侧面；以及
95.s13，重复步骤s04～s07，以获得第二设定位置所对应的实验孔的挤压变形值。
96.因此，根据本公开实施例，针对引伸计5的两个引脚，分别设置与加载销钉相接触的接触卡环4和相对于实验板1宽度方向对称设置的两个定位卡块6，不但避免了销钉变形对孔边变形量的测量干扰，还消除了加载不对中所可能引起的试验误差，从而解决了现有测量方案中对陶瓷基复合材料的孔边挤压变形测量相对误差较大的问题，有效提升了陶瓷基复合材料的孔边挤压变形的测量精度与测试效果。
97.以下结合附图对本公开做进一步说明：
98.安装过程中，如图5所示，首先将两个加载板2放置在试验板的两侧，使得两个加载板2的侧面与试验板的侧面平行，同时使得第一通孔22与待测孔11同轴，然后将加载螺钉3穿过上述三个圆孔后，拧上螺母并手动拧紧；然后将接触卡环4从上向下套入试验板的上端，使得接触卡环4插入加载板2与试验板之间的间隙内，并且使得半圆卡槽41与加载螺钉3在上述间隙内漏出的加载螺钉3的外表面良好接触。然后将上加载板8放置在两个加载板2之间的上端缝隙内，使得第二通孔23与第三通孔81同轴，然后将螺钉穿过上述圆孔并拧紧螺母，装配状态如图2所示。
99.如图2所示，将两个定位卡块6沿试验板厚度方向上居中放置在试验板的左右两侧，使得刀口62卡置在试验板的外侧面，两侧的刀口62的压紧位置均位于试验中指定的试验件横截面上；然后将两个滚轮63分别放置在两个定位卡块6的第二凹槽65内，使得连接轴632与第一凹槽64配合；然后将两根长螺栓7穿过每个定位卡块6上的两个圆孔后，分别用两个螺母相配合拧紧，确保定位卡块6与试验板侧面压紧贴实，实现相对固定。
100.至此，完成了试验件与测试加载工装间的安装，安装完成状态如图6和图7所示。
101.然后将试验板加持段与试验件下夹头相连，上加载板8上端与试验机上夹头相连，实现上述试验组合件在试验机上的安装。然后在试验板两侧各安装一个引伸计5，使得引伸计5两个引脚的刀口62分别卡置在第一引脚槽42和第二引脚槽61内，实现引伸计5与接触卡环4和定位卡块6之间的安装固定。
102.最后启动试验测试系统，开始试验测试，利用两个引伸计5测得的一组变形值的平均值来表征待测孔11相对于试验板指定横截面的孔挤压变形值。
103.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
104.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。