一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及纤维增强复合材料力学性能测试技术领域，具体是一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法，包括底座，所述底座上设置有安装试样的支撑座、用于撞击试样的加载杆、用于撞击加载杆的撞击杆以及用于发射撞击杆的压气枪，所述加载杆、撞击杆和压气枪同轴设置，所述支撑座的外侧设有温度环境箱，所述温度环境箱上开设有供加载杆前端伸入并撞击试样的通道；本发明专利技术可以开展不同温度和冲击加载条件下的纤维增强复合材料层间剪切强度测试，弥补了现有技术未能考虑温度和冲击载荷耦合作用、试验测试技术严重匮乏的不足，标准化程度高、使用范围广。使用范围广。使用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法


[0001]本专利技术涉及纤维增强复合材料力学性能测试
，具体是一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置及方法。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料因具有高比强度、高比模量、抗疲劳性能好和结构设计灵活等优点，已在航空航天、汽车交通、国防军工等多个领域得到应用。特别是随着氢能储运技术的发展，作为复合材料储氢气瓶的重要材料之一，纤维增强复合材料在极端温度和动态冲击载荷作用下的力学性能引起了人们广泛关注。
[0003]目前，纤维增强复合材料层间剪切强度的测试方法主要有短梁法、双切口法、Iosipescu法等，测试工作主要集中在室温和准静态试验条件下，由于缺少不同温度和冲击加载速率条件下的动态层间剪切强度测试系统，纤维增强复合材料在该性能方面的数据严重匮乏。上述情况为纤维增强复合材料结构在不同温度和冲击载荷作用下的结构强度设计和安全性能评估带来了困难，因此亟待解决。

技术实现思路

[0004]为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，可以开展不同温度和冲击加载条件下的纤维增强复合材料层间剪切强度测试，弥补了现有技术未能考虑温度和冲击载荷耦合作用、试验测试技术严重匮乏的不足，标准化程度高、使用范围广。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，包括底座，所述底座上设置有安装试样的支撑座、用于撞击试样的加载杆、用于撞击加载杆的撞击杆以及用于发射撞击杆的压气枪，所述加载杆、撞击杆和压气枪同轴设置，所述支撑座的外侧设有温度环境箱，所述温度环境箱上开设有供加载杆前端伸入并撞击试样的通道。
[0007]作为本专利技术进一步的方案：所述支撑座包括支撑块和垫块，所述支撑块的前端开设有连接槽，所述垫块滑动连接在连接槽内，两个垫块沿连接槽槽长方向做相向或相离动作，所述支撑块的尾端连接有与加载杆同轴设置且延伸出保温环境箱的支撑杆，所述支撑杆的伸出端连接在设置在底座上的限位块上。
[0008]作为本专利技术再进一步的方案：所述连接槽为槽长方向沿支撑块宽度方向设置的T型槽结构，所述垫块上设置有与连接槽滑动配合的T型块；
[0009]所述支撑块的上表面上盖合有盖板，位于垫块上方的盖板上开设有孔型长度方向沿连接槽槽长方向设置的矩形孔，所述垫块的上表面上开设有定位螺孔，定位螺栓沿竖直方向穿过矩形孔并与定位螺孔螺纹配合。
[0010]作为本专利技术再进一步的方案：所述底座上设置有挡板，所述挡板上开设有与加载杆同轴设置的导向孔，所述加载杆沿轴向滑动连接在导向孔内，所述加载杆位于导向孔两
侧的杆身上设置有扣环，所述加载杆的撞击试样端的杆身上设置有应变片。
[0011]作为本专利技术再进一步的方案：所述支撑块的前端中部位置开设有供加载杆前端伸入的凹槽，所述支撑块的尾端开设有与加载杆同轴线的套接螺孔，所述支撑杆的前端与套接螺孔螺纹连接。
[0012]一种纤维增强复合材料层间剪切强度的测试方法，包括以下步骤：
[0013]S1，在试验前应根据具体要求准备试验器材，测量撞击杆、加载杆的尺寸大小以及试样尺寸大小；
[0014]S2，粘贴应变片，在加载杆上合适位置粘贴应变片并将应变片与应变采集系统连接；
[0015]S3，试验中冲击加载应力波形的设定：装置组装完成后，将撞击杆置于压气枪内；调节压气枪的气压使撞击杆可以达到预定冲击速度，并在加载杆上与撞击杆相邻的一端粘贴波形整形器，以得到相应的冲击加载应力波形；
[0016]S4，根据试样尺寸，确定垫块的位置并调节跨距；
[0017]S5，将撞击杆、加载杆、温度环境箱及支撑座等各部件依次组装完备，完成测试装置的组装；
[0018]S6，将试样置于支撑座之上，并放置于温度环境箱内中间位置，紧闭温度环境箱；
[0019]S7，设置温度环境箱温度，使其内部达到试样所需的温度，并保温一定时间；
[0020]S8，按照设定的冲击加载应力波形进行冲击试验，对试样进行冲击加载；通过粘贴的应变片测得加载杆上的应变信号，即入射波ε
i
(t)时程曲线和反射波ε
r
(t)时程曲线；
[0021]S9，获取并整理试验数据；
[0022]S10，建立复合材料在不同温度及加载速度下的有限元分析模型，并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证，确定试验结果的有效性；
[0023]S11，根据步骤S10中获得有限元仿真结果，获得加载杆中部的仿真应力波形σ1(t)，将仿真应力波形σ1(t)与试验冲击加载应力波形σ2(t)进行比较；若二者一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S10，调整有限元仿真模型重新计算；
[0024]S12，根据步骤S10分析结果，获得垫块处支反力F1(t)时程曲线，以及加载杆与试样的接触力F2(t)时程曲线；若二者对比一致，则进入下一步骤；反之，返回步骤S3，重新设定冲击加载应力波形进行试验；
[0025]S13，根据步骤S8中得到的加载杆上的应变信号并得到冲击荷载F(t)时程曲线，取其中最大荷载Fmax，然后根据层间剪切强度理论公式计算得出该材料在该温度及加载速度下的动态层间剪切强度τ
M
；
[0026]F(t)＝AE[ε
i
(t)+ε
r
(t)][0027]其中A为加载杆横截面积；E为加载杆弹性模量。
[0028][0029]其中b为试样宽度；h为试样厚度。
[0030]作为本专利技术再进一步的方案：所述S1的具体步骤如下：
[0031]S101，加载杆采用直径14.5mm，长度为2000mm的钢制圆杆；撞击杆采用直径14.5mm，长度为300mm的钢制圆杆；加载杆端采用楔角为60度的楔形头；试样采用长25mm，宽
10mm，厚6.35mm的纤维增强环氧树脂复合材料试样。
[0032]作为本专利技术再进一步的方案：所述S10的具体步骤如下：
[0033]S1001，在ABAQUS/CAE中分别建立加载杆、简化支撑座、试样的几何模型；
[0034]S1002，设置材料属性：在ABAQUS/CAE的材料属性赋予模块中，赋予纤维增强复合材料考虑温度影响的弹性本构参数：E
11
、E
22
、E
33
、G
12
、G
13
、G
23
、v
12
、v
13
、v
23
；E
11
、E
22
、E
33
分别为纤维增强复合材料在不同方向上的弹性模量；G
12
、G
13
、G
23
分别为纤维增强复合材料在不同方向上的剪切模量；v
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，包括底座(6)，所述底座(6)上设置有安装试样(9)的支撑座(8)、用于撞击试样(9)的加载杆(3)、用于撞击加载杆(3)的撞击杆(2)以及用于发射撞击杆(2)的压气枪(1)，所述加载杆(3)、撞击杆(2)和压气枪(1)同轴设置，所述支撑座(8)的外侧设有温度环境箱(7)，所述温度环境箱(7)上开设有供加载杆(3)前端伸入并撞击试样(9)的通道。2.根据权利要求1所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述支撑座(8)包括支撑块(82)和垫块(83)，所述支撑块(82)的前端开设有连接槽(82b)，所述垫块(83)滑动连接在连接槽(82b)内，两个垫块(83)沿连接槽(82b)槽长方向做相向或相离动作，所述支撑块(82)的尾端连接有与加载杆(3)同轴设置且延伸出保温环境箱的支撑杆(10)，所述支撑杆(10)的伸出端连接在设置在底座(6)上的限位块(11)上。3.根据权利要求2所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述连接槽(82b)为槽长方向沿支撑块(82)宽度方向设置的T型槽结构，所述垫块(83)上设置有与连接槽(82b)滑动配合的T型块(83a)；所述支撑块(82)的上表面上盖合有盖板(81)，位于垫块(83)上方的盖板(81)上开设有孔型长度方向沿连接槽(82b)槽长方向设置的矩形孔(81a)，所述垫块(83)的上表面上开设有定位螺孔(83b)，定位螺栓沿竖直方向穿过矩形孔(81a)并与定位螺孔(83b)螺纹配合。4.根据权利要求2或3所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述底座(6)上设置有挡板(5)，所述挡板(5)上开设有与加载杆(3)同轴设置的导向孔(51)，所述加载杆(3)沿轴向滑动连接在导向孔(51)内，所述加载杆(3)位于导向孔(51)两侧的杆身上设置有扣环(4)，所述加载杆(3)的撞击试样(9)端的杆身上设置有应变片(12)。5.根据权利要求2所述的一种测试纤维增强复合材料层间剪切强度的装置，其特征在于，所述支撑块(82)的前端中部位置开设有供加载杆(3)前端伸入的凹槽(82c)，所述支撑块(82)的尾端开设有与加载杆(3)同轴线的套接螺孔(82a)，所述支撑杆(10)的前端与套接螺孔(82a)螺纹连接。6.一种使用权利要求1
‑
5任一项所述装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，在试验前应根据具体要求准备试验器材，测量撞击杆(2)、加载杆(3)的尺寸大小以及试样(9)尺寸大小；S2，粘贴应变片(12)，在加载杆(3)上合适位置粘贴应变片(12)并将应变片(12)与应变采集系统连接；S3，试验中冲击加载应力波形的设定:装置组装完成后，将撞击杆(2)置于压气枪(1)内；调节压气枪(1)的气压使撞击杆(2)可以达到预定冲击速度，并在加载杆(3)上与撞击杆(2)相邻的一端粘贴波形整形器(13)，以得到相应的冲击加载应力波形；S4，根据试样(9)尺寸，确定垫块(83)的位置并调节跨距；S5，将撞击杆(2)、加载杆(3)、温度环境箱(7)及支撑座(8)等各部件依次组装完备，完成测试装置的组装；S6，将试样(9)置于支撑座(8)之上，并放置于温度环境箱(7)内中间位置，紧闭温度环境箱(7)；S7，设置温度环境箱(7)温度，使其内部达到试样(9)所需的温度，并保温一定时间；
S8，按照设定的冲击加载应力波形进行冲击试验，对试样(9)进行冲击加载；通过粘贴的应变片(12)测得加载杆(3)上的应变信号，即入射波ε
i
(t)时程曲线和反射波ε
r
(t)时程曲线；S9，获取并整理试验数据；S10，建立复合材料在不同温度及加载速度下的有限元分析模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴乔国，王乾坤，祖磊，王宝珍，董钢，程长征，张骞，张桂明，张秉强，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：