一种陶瓷基复合材料榫接结构拉-拉疲劳试验夹具及试验方法技术

本发明专利技术涉及一种陶瓷基复合材料榫接结构拉

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具及试验方法


[0001]本专利技术属于陶瓷基复合材料榫接结构试验力学性能评估领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具及试验方法。

技术介绍

[0002]陶瓷基复合材料由于低密度和耐高温性能而被认为是下一代航空燃气涡轮发动机涡轮叶片的潜在材料选择。而热端部件的叶盘连接部位处于高温、高压和高转速的工作环境中，同时又叠加了陶瓷基复合材料/高温合金接触和磨损等因素，使得叶盘连接的榫接部位服役环境十分恶劣，极易引发疲劳失效。因此，在陶瓷基复合材料应用于工程实际之前，需在实验室环境中针对榫接结构开展大量真实载荷条件下的模拟试验，探究其强度和疲劳性能，并发展可靠的力学性能评估方法，为新一代航空发动机性能的提升奠定基础。
[0003]在传统的金属高温力学性能试验中，多采用销钉、燕尾槽或螺纹等夹持方式。但是针对陶瓷基复合材料这类脆性的各向异性材料，销钉夹持需要在试件的夹持段开销钉孔，而开孔会打断纤维造成损伤；燕尾形夹持会使得试件夹持段出现纤维偏折和基体富集区；而采用陶瓷基复合材料加工螺纹目前工艺上尚存在一定问题。因此，现有的夹具难以应用于陶瓷基复合材料的高温力学试验中。另一方面，探究性试验需要改变榫头的结构尺寸，这对夹具的通用性也提出了要求；大载荷条件下，榫槽的过度变形会使得榫头试件会出现拉脱，导致试验失败、因此，为保证试验的顺利进行、避免以上问题的出现，目前急需一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验的夹具，既能保证试件夹持部位的稳固性，同时能够针对不同尺寸的榫头提升夹具的通用性。
[0004]针对陶瓷基复合材料榫接结构试验存在以下显著问题：(1)如何确保不能打孔、不能截面突变、无法加工螺纹的复合材料试件夹持的稳固性。(2)如何针对不同尺寸的榫头试件提升夹具的通用性。(3)如何保证大载荷条件下榫头试件不出现拉脱的情况。在查阅了已有专利和文献后，并未发现可以能够解决上述三个核心问题的试验夹具设计及试验方法。因此，有必要发展一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具设计及试验方法，以解决上述问题。
[0005]中国专利技术专利CN201810570207.0公开了一种陶瓷基复合材料榫连结构高温强度测试试验装置，这种方法也采用了螺栓压紧、通过摩擦夹持的方法，但是夹具弧面较多，加工难度大、成本高，同时针对不同尺寸的榫头试件需要更换整套夹具，进一步抬升了试验成本。
[0006]中国专利技术专利CN202010271891.X公开了一种复合材料拉伸强度测试的夹具，这种方法通过销钉孔的方式进行夹持，但是在复合材料夹持段打孔会使得夹持段纤维断裂承载能力降低，在试验过程中极易出现试件断在夹持段导致试验失败的问题。
[0007]现有文献“康永强,陈勇.铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析[J].航空动力学报,2020,35(02):388
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396.”展示了一种铺层复合材料风扇叶片榫头试验的试验装置，同
样具有榫头夹持段打孔的问题。该文献采用加大榫槽的方式来防止榫头拉脱的出现，但是由于榫槽过大超出了高温炉的尺寸，因此不适用于高温力学试验。
[0008]现有文献“Watanabe F,Nakamura T,Shinohara K.The application of ceramic matrix composite to low pressure turbine blade[C]//Turbo Expo:Power for Land,Sea,and Air.American Society of Mechanical Engineers,2016,49828:V006T02A003.”展示了一种陶瓷基复合材料榫头高温试验的夹具装置，这种方法采用螺栓连接夹具和试件，但是试件夹持段螺栓孔的断裂纤维降低了试验的成功率，同时这种设计没有防止榫头拉脱的装置。
[0009]综上，现有技术缺乏适用于陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验的夹具设计方法，而本专利技术针对上述夹持段易失效、提升夹具通用性、防止榫头拉脱等问题进行了针对性处理，很好的解决了以上问题。

技术实现思路

[0010]为克服现有技术的不足，本专利技术提出一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具及试验方法，克服了现有设计导致的复合材料夹持段易失效、大载荷试验榫头易拉脱等问题，提升了夹具的通用性，降低了试验成本。本专利技术能够用于陶瓷基复合材料涡轮叶片榫接结构的静强度以及各类疲劳试验。
[0011]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0012]一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具，包括上侧圆棒、U型板、夹板、销钉、加强片、夹板螺栓、垫片、榫头模拟件、横向夹片、纵向夹片、榫槽模拟件、过渡段和下侧圆棒；疲劳试验机的夹块夹持上侧圆棒圆柱段，上侧圆棒的外螺纹一端与U型板的螺纹孔相连；U型板和夹板之间通过两个销钉穿过定位，夹板下端通过四个夹板螺栓以压紧的方式夹持榫头模拟件，螺母和夹板中间隔有垫片，榫头模拟件上侧的夹持段两侧粘贴有金属加强片；榫头模拟件下端与榫槽模拟件相配合，榫槽模拟件上侧两个横向夹片通过搭接的方式固定，上侧有两个纵向夹片卡住横向夹片，防止脱落；榫槽模拟件下侧外螺纹和过渡段上侧内螺纹连接，过渡段上开有冷却水孔，过渡段下侧内螺纹与下侧圆棒外螺纹连接；下侧圆棒圆柱段夹持在疲劳试验机上；开展高温试验时采取高温炉进行加热。
[0013]进一步地，所述榫槽模拟件上侧由横向夹片和纵向夹片固定；两个所述横向夹片为U型结构，端部通过搭接的方式环向固定住榫槽模拟件的上方开口处，防止在大载荷试验时榫槽模拟件由于过度形变使得榫头模拟件拉脱，导致试验失败；两个纵向夹片为U型结构，分别在榫头模拟件的两侧，由上至下卡住横向夹片，防止横向夹片在试验过程中受振动脱落。
[0014]进一步地，所述榫槽模拟件两侧、横向夹片具有6
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12
°
的倾角；横向夹片和纵向夹片的固定不遮挡榫接部位，便于在试验过程中对榫接部位进行观测。
[0015]进一步地，所述垫片处于夹板和夹紧榫头模拟件所用的螺母之间。
[0016]进一步地，两个所述夹板之间的距离根据榫头模拟件的夹持段的厚度自由调节。
[0017]进一步地，所述榫槽模拟件、横向夹片、纵向夹片和过渡段的材料为铸造高温合金、单晶高温合金或粉末高温合金的其中一种，其余零件在高温炉外，均采用不锈钢材料。
[0018]进一步地，所述过渡段下侧开有冷却水孔，通过外接水管使冷却水流过过渡段的
夹具，降低其使用温度。
[0019]进一步地，所述疲劳试验夹具上侧的载荷传递路线为：上侧圆棒通过螺纹传向U型板，螺纹受轴向力；U型板通过销钉传给夹板、销钉受剪切力；夹板通过摩擦力传给榫头模拟件；榫槽模拟件和过渡段、过渡段和下侧圆棒之间均通过螺纹传力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具，其特征在于，包括上侧圆棒(1)、U型板(2)、夹板(3)、销钉(4)、加强片(5)、夹板螺栓(6)、垫片(7)、榫头模拟件(8)、横向夹片(9)、纵向夹片(10)、榫槽模拟件(11)、过渡段(12)和下侧圆棒(13)；疲劳试验机的夹块夹持上侧圆棒(1)圆柱段，上侧圆棒(1)的外螺纹一端与U型板(2)的螺纹孔相连；U型板(2)和夹板(3)之间通过两个销钉(4)穿过定位，夹板(3)下端通过四个夹板螺栓(6)以压紧的方式夹持榫头模拟件(8)，螺母和夹板(3)中间隔有垫片(7)，榫头模拟件(8)上侧的夹持段两侧粘贴有金属加强片(5)；榫头模拟件(8)下端与榫槽模拟件(11)相配合，榫槽模拟件(11)上侧两个横向夹片(9)通过搭接的方式固定，上侧有两个纵向夹片(10)卡住横向夹片(9)，防止脱落；榫槽模拟件(11)下侧外螺纹和过渡段(12)上侧内螺纹连接，过渡段(12)上开有冷却水孔，过渡段(12)下侧内螺纹与下侧圆棒(13)外螺纹连接；下侧圆棒(13)圆柱段夹持在疲劳试验机上；开展高温试验时采取高温炉(14)进行加热。2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具，其特征在于：所述榫槽模拟件(11)上侧由横向夹片(9)和纵向夹片(10)固定；两个所述横向夹片(9)为U型结构，端部通过搭接的方式环向固定住榫槽模拟件(11)的上方开口处，防止在大载荷试验时榫槽模拟件(11)由于过度形变使得榫头模拟件(8)拉脱，导致试验失败；两个纵向夹片(10)为U型结构，分别在榫头模拟件(8)的两侧，由上至下卡住横向夹片(9)，防止横向夹片(9)在试验过程中受振动脱落。3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具，其特征在于：所述榫槽模拟件(11)两侧、横向夹片(9)具有6
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12
°
的倾角；横向夹片(9)和纵向夹片(10)的固定不遮挡榫接部位，便于在试验过程中对榫接部位进行观测。4.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具，其特征在于：所述垫片(7)处于夹板(3)和夹紧榫头模拟件(8)所用的螺母之间。5.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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拉疲劳试验夹具，其特征在于：两个所述夹板(3)之间的距离根据榫头模拟件(8)的夹持段的厚度自由调节。6.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料榫接结构拉
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【专利技术属性】
技术研发人员：胡殿印，刘昱，刘茜，马鹏辉，王荣桥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：