一种加热环境下复合材料剪切性能测试的装置及方法

1.本发明涉及试验设备技术领域，尤其涉及一种加热环境下复合材料剪切性能测试的装置及方法。


背景技术：

2.目前对复合材料剪切性能测试的标准主要以美国材料与试验协会发布的astm d5379和astm d7078为主，其中astm d5379中所使用的夹具以端面加载为主，可能会对试件端部造成损坏，影响实验结果。astm d7078中所使用的夹具则以纯摩擦力加载为主，不会对试件端部造成破坏，对静态剪切试验可以适用，但直接用于疲劳试验会导致螺栓松动，致使试验失败，且上下两剪切块之间无导轨，会影响疲劳期间夹具的对中性。
3.另外目前常用的标准对复合材料剪切强度的计算都是基于50000微应变时对应的剪切应力，对于某些复合材料这样的取值过于保守，不能真实表征复合材料的剪切强度；且常用的剪切夹具大部分都是在常温下使用，若需要做加热环境下的剪切试验需要将夹具放在环境温箱中，但套上温箱又不方便对试件进行检测。
4.因此，针对以上不足，需要提供一种加热环境下复合材料剪切性能测试的装置及方法。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.本发明要解决的技术问题是解决在加热环境下如何对试件进行准确的试验和数据检测的问题。
7.(二)技术方案
8.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种加热环境下复合材料剪切性能测试的装置，包括夹具、垫块、盖板、加热装置、隔热箱、dic相机和声发射导波杆，两块垫块夹持试件一端，盖板将垫块固定在夹具内以使夹具对试件进行纵向的剪切拉伸；加热装置架设在夹具外以对试件加热，隔热箱包覆在夹具和加热装置外以避免热量散失，dic相机置于隔热箱装有过滤有色光波的透明材料的窗口外，以观测试件有散斑一面的应变状态；声发射导波杆抵接在试件的另一侧以测量声发射信号。
9.作为对本发明的进一步说明，优选地，过滤有色光波的透明材料为贴有滤光片的耐高温玻璃，玻璃远离滤光片一侧固连在隔热箱的窗口处。
10.作为对本发明的进一步说明，优选地，玻璃上的滤光片过滤红色光，保留蓝绿色光。
11.作为对本发明的进一步说明，优选地，夹具包括上剪切体和下剪切体，上剪切体和下剪切体均为l型结构且突出部呈上下式相互交错扣接；上剪切体和下剪切体突出部的水平方向相接触的侧面上均开设有夹槽，垫块和试件均位于夹槽内。
12.作为对本发明的进一步说明，优选地，盖板将垫块和试件压入夹槽内，盖板上插有
螺栓，螺栓贯穿夹具一端螺纹连接有螺母以使盖板与垫块过盈配合。
13.作为对本发明的进一步说明，优选地，盖板与垫块通过螺杆固连。
14.作为对本发明的进一步说明，优选地，垫块与试件的相接面设有若干个粗糙块组，以使垫块表面粗糙。
15.作为对本发明的进一步说明，优选地，上剪切体和下剪切体一侧均固连有圆柱状的导杆，上剪切体和下剪切体另一侧均固连有直线轴承，对向的导杆插入直线轴承内以使上剪切体和下剪切体连接。
16.作为对本发明的进一步说明，优选地，试件采用复合材料制成的标准v口的片状结构，垫块夹持在试件位于v口两侧的端头处。
17.本发明还提供了一种加热环境下复合材料剪切性能测试装置的使用方法，包括以下步骤：
[0018]ⅰ.将垫块安装在夹槽内，待将试件放入垫块之间后放上盖板并拧紧螺栓，以使垫块夹紧试件；
[0019]ⅱ.将加热装置固定在夹具上，然后将隔热箱套在在夹具和加热装置外；
[0020]ⅲ.将dic相机架设在玻璃处，将声发射导波杆插入隔热箱内，使得声发射导波杆一端贴在试件表面，声发射导波杆另一端与声发射测量装置相连；
[0021]ⅳ.开始启动设备以使夹具纵向拉伸试件；dic相机透过玻璃测量试件有效区域的应变；声发射测量装置测量试验过程中的声发射信号；依据dic测量结果，比较试件有效区域处剪切应变和纵向拉伸应变的大小，当试件有限区域剪切应变与纵向拉伸应变差值大时即认为处于剪切阶段，当纵向拉伸应变相较于剪切应变瞬间增大时，即认为剪切失效，所对应的剪切应力为剪切强度。
[0022]
(三)有益效果
[0023]
本发明的上述技术方案具有如下优点：
[0024]
本发明通过设计一种新式的测试装置，可以在加热环境下对标准v口复合材料试件进行剪切静态及疲劳试验，利用双螺母的锁紧方式防止疲劳过程中试件松动、利用相互交错的剪切体可以实现负应力比的剪切疲劳工况、同时利用dic测量技术测量试件有效区域的全场应变、利用声发射技术来表征试件静态和疲劳试验过程中的损伤变化，可以准确判定出加载过程中试件有效区域是否处于剪切状态，并以此来确定试件的剪切强度。
附图说明
[0025]
图1是本发明的爆炸图；
[0026]
图2是本发明的夹具正视图；
[0027]
图3是本发明的试件夹持状态图；
[0028]
图4是本发明的垫块和盖板安装结构爆炸图；
[0029]
图5是本发明的上剪切体结构图；
[0030]
图6是本发明的垫块结构图；
[0031]
图7是本发明的装配效果图。
[0032]
图中：1、夹具；11、上剪切体；12、下剪切体；13、夹槽；14、导杆；15、直线轴承；16、夹持杆；2、垫块；21、粗糙块组；3、盖板；4、试件；5、加热装置；51、棒支架；52、加热棒；6、隔热
箱；61、锁接副；62、玻璃；7、dic相机；8、声发射导波杆。
具体实施方式
[0033]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
一种加热环境下复合材料剪切性能测试的装置，结合图1、图6，包括夹具1、垫块2、盖板3、加热装置5、隔热箱6、dic相机7和声发射导波杆8，两块垫块2夹持试件4一端，盖板3将垫块2固定在夹具1内；加热装置5架设在夹具1外，隔热箱6包覆在夹具1和加热装置5外，dic相机7抵接在隔热箱6一侧，声发射导波杆8抵接在隔热箱6位于dic相机7的另一侧。
[0035]
结合图2、图5，夹具1包括上剪切体11和下剪切体12，上剪切体11和下剪切体12均为l型结构且突出部呈上下式相互交错扣接。上剪切体11和下剪切体12突出部的水平方向相接触的侧面上均开设有夹槽13，试件4可放置在夹槽3内，试件4采用复合材料制成的标准v口的片状结构。上剪切体11和下剪切体12上均固连有柱状的夹持杆16，用于和拉伸试验机相连。
[0036]
结合图4、图5，夹槽13为方形槽，垫块2为方形金属块，垫块2的长宽与夹槽13长宽相同，结合图6，垫块2与试件4的相接面设有若干个粗糙块组21，以使垫块2该表面粗糙。两块垫块2带有粗糙块组21的一面与试件4位于v口一侧的两面接触，并嵌入在夹槽13内，使得垫块2和试件4均位于夹槽13内，实现对试件4的初步夹持。
[0037]
结合图3、图4，盖板3上插有螺栓，螺栓贯穿夹具1的一端螺纹连接有螺母，通过旋紧螺母可使盖板3与垫块2过盈配合，进而使盖板3与夹具1配合挤压垫块2，通过双螺母方式固定防松，进而使垫块2和试件4在夹槽13内过盈配合，实现对试件4的稳定夹持。此外盖板3与垫块2，以及垫块2与夹具1均通过螺杆固连，避免在试验过程中试件4将垫块2从夹槽13内拉出。
[0038]
结合图3、图5，上剪切体11和下剪切体12一侧均固连有圆柱状的导杆14，上剪切体11和下剪切体12另一侧均固连有直线轴承15，上剪切体11的导杆插入对向的下剪切体12的直线轴承内，下剪切体12的导杆插入对向的上剪切体11的直线轴承内，以使上剪切体11和下剪切体12连接，且能纵向滑动。设置导杆14和直线轴承15既能使夹具1在实验时能顺畅的上下移动，又能限制夹具1的横向错位，是夹具始终具有良好的对中性，确保试件4仅受剪力。
[0039]
结合图1、图2，加热装置5包括棒支架51和加热棒52，棒支架51固连在位于试件4两侧的上剪切体11顶部，若干根加热棒52固连在棒支架51长度方向的两端，加热棒52为螺旋加热丝结构，加热棒52靠近夹具1以使热量尽可能多的向试件4传递。
[0040]
结合图1、图7，隔热箱6分为前后两部分箱体，均由耐高温隔热板制成，隔热箱6的两个部分通过锁接副61连接，通过将隔热箱6的前后两部分呈包围式套在夹具1和加热装置5外，可避免热量散失。隔热箱6的前部分开设有窗口，窗口处固连有耐高温的透明玻璃62，玻璃62上贴有能过滤红色光波，保留蓝绿色光波的滤光片，dic相机放置在隔热箱6前部分的玻璃62外，以减少加热环境对dic测量结果的影响。隔热箱6后部分开设有孔，声发射导波
杆8可插入孔内与试件4接触。
[0041]
通过上述结构，在将装置放置到拉伸试验机上后，通过牵拉上剪切体11和下剪切体12，使试件4两端受到来自不同剪切体内垫块2不同方向的纯摩擦力，实现对试件4施加剪切力的效果，以减轻端部加载对试件4造成的不利影响，且利用双螺母锁紧方式防止剪切疲劳过程中试件松动；利用相互交错扣接的剪切体可以实现负应力比的剪切疲劳工况；利用加热装置、隔热装置、剪切夹具以及耐高温并滤光的透明材料窗口实现加热环境下复合材料剪切性能的测试和dic技术对应变场的测量。
[0042]
本发明还提供了一种加热环境下复合材料剪切性能测试装置的使用方法，包括以下步骤：
[0043]ⅰ.在上剪切体11和下剪切体12的夹槽13内均先放置一块垫块2，通过螺杆固定后，将上剪切体11和下剪切体12通过导杆14和直线轴承15组合在一起，随后再放入试件4，然后再将通过螺钉固定在盖板3上的另一块垫块2放入夹槽13内，先不拧紧螺栓，调整好试件4位置后，拧紧螺栓和螺母，以使垫块2夹紧试件4。
[0044]ⅱ.将夹具1通过夹持杆16安装在试验机上，然后将加热装置5固定在夹具1上，然后将隔热箱6套在在夹具1和加热装置5外，并通过锁接副61将隔热箱6的两部分固定连接在一起，此时隔热箱6挂在棒支架51上。
[0045]ⅲ.将dic相机7架设在玻璃62处，将声发射导波杆8插入隔热箱6的孔内，使得声发射导波杆8一端贴在试件4表面，声发射导波杆8另一端与声发射测量装置相连。
[0046]ⅳ.开始启动设备以使夹具1剪切试件4；dic相机7透过玻璃62测量试件4有效区域的应变场；声发射测量装置测量试验过程中的声发射信号；依据dic测量结果，比较试件4有效区域处剪切应变和纵向拉伸应变的大小，当试件4有效区域剪切应变与纵向拉伸应变比值较大时(剪切应变远大于纵向应变时)即认为处于剪切阶段，当纵向拉伸应变相较于剪切应变瞬间增大或者剪切载荷突降时，即认为剪切失效，所对应的剪切应力为剪切强度。
[0047]
常规复合材料剪切试验标准中规定若试验剪切应变超过50000微应变则取50000微应变时对应的应力值作为剪切强度，但在实际操作中发现部分复合材料在加载至50000微应变后仍然是剪切状态，故而按照标准所取的剪切强度值可能会存在偏小的可能。而采用本发明所提供的方法，试件4在继续加载的过程中，即使剪切应变超过50000时，也可以使用dic测量的应变来判断试件是否依然处于纯剪状态，只要试件是在纯剪状态发生的破坏就认为破坏时的剪切应力为剪切强度，相较于标准规定的50000微应变对应的剪切强度而言，更能真实反应试件4的剪切性能。因此利用dic技术对试件4有效区域的剪切和纵向拉伸应变结果进行对比分析，结合声波数据测定的损伤断裂的信息来判定加载过程中有效区域是否处于剪切状态，并以此来确定试件4的剪切强度，得到的剪切强度数据最为准确。
[0048]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。