一种测量横向各向同性材料剪切性能的装置与方法

摘要

本发明涉及一种测量横向各向同性材料剪切性能的装置及方法，包括薄壁管状试件、固定外管、转动内管、上定位环、下定位环、结构胶、上连接盘、下连接盘、法兰盘和扭矩传感器。将横向各向同性材料加工成薄壁管试件，轴向为方向Ⅰ，横截面内为相互垂直的方向(横向)Ⅱ、Ⅲ且材料力学属性相同。转动内管和固定外管分别粘接在试件内、外壁上，外管固定而对内管施加扭转力矩，使试件仅在薄壁环形横截面内产生剪切力。通过外管的扭矩、内管的扭转角和外壁面积，可获得试件在方向(横向)Ⅱ、Ⅲ的剪应力-应变曲线，从而得到试件横向各向同性方向的剪切模量、剪切强度等。本发明巧妙的利用薄壁管内、外壁相对扭转，使剪切力仅产生在材料横向各向同性方向，参数测量直观方便，试验数据准确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种剪切性能测量装置，尤其是一种测量横向各向同性材料 剪切性能的装置及方法。

背景技术

横向各向同性材料在垂直于轴线的任何方向(即横向)上弹性力学性质 相同，包括某些泡沫材料、蜂窝结构材料、复合材料等。横向剪切性能是衡 量横向各向同性材料的重要参数。目前的测量方法较少，主要是因为加载装 置难以实现，例如材料仅仅在横向方向受力，材料在测量横截面上受力均匀 等。因此，简单而准确的横向各向同性材料剪切性能测量方法亟待解决。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种测量横向各向同性材 料剪切性能的装置及方法，它巧妙的利用特殊取样的试件，通过利用薄壁管 状试件内、外壁相对扭转，使剪切应力仅产生在测试材料的横向各向同性方 向，试验参数测量直观方便，试验数据准确。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种测量横向各向同性材料剪切性能的装置，包括薄壁管状试件、固定 外管、转动内管、上定位环、下定位环、结构胶、上连接盘、下连接盘、法 兰盘和扭矩传感器。其特征在于，转动内管和固定外管分别粘接在薄壁管状 试件内、外壁上，外管固定而对内管施加扭转力矩，使试件内、外壁相对扭 转，仅在薄壁环形横截面内产生剪切力。其中，

所述薄壁管试件由待测横向各向同性材料加工而成，轴向为方向Ⅰ，横 截面内为相互垂直的方向(横向)Ⅱ、Ⅲ且材料力学属性相同。

所述转动内管外壁和固定外管内壁分别与薄壁管试件的内、外壁用结构 胶粘连。内管上端与上连接盘螺栓连接，上连接盘与法兰盘螺栓连接，可对 法兰盘施加扭转力矩并测量扭转角。外管下端与下定位环螺栓连接，下定位 环与下连接盘螺栓连接，将下连接盘固定并设置扭矩传感器。

优选地，所述薄壁管试件的外壁直径与管壁厚度之比较大，使试件所受 横向剪切应力沿横截面半径无明显梯度变化。

优选地,所述固定外管由两个半圆形套筒构成，其内壁与薄壁管状试件用 粘合剂粘连，其两端用螺栓与定位环固定连接，将两瓣套筒闭合后形成圆管。

优选地，所述定位环的内、外径分别与内管外径和外管内径相同，至少 两所述定位环至少两所述定位环位于内管和外管之间,用于保持内管、薄壁管 状试件、外管三者的轴线位于同一直线上。

本发明的测量横向各向同性材料剪切性能的装置，试验时，在法兰盘施 加扭转力，使上连接盘和内管带动薄壁管试件内壁扭转，测量法兰盘扭转角； 同时，外管固定在下连接盘上，使薄壁管状试件外壁保持静止，测量下连接 盘所受扭矩。这样，使试件的内、外壁相对扭转，仅在试件的薄壁环形横截 面上内产生剪切应力。通过测量扭转角度、扭矩和试件外壁表面积，可得到 薄壁管状试件的横向各向同性方向剪切应力-应变曲线，并计算出横向剪切模 量和剪切强度。

根据本发明的另一方面，还提供了一种利用本发明的装置测量横向各向 同性材料剪切性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

SS1.将横向各向同性材料加工成薄壁管状试件，其中轴向为方向Ⅰ， 横截面内为相互垂直的方向(横向)Ⅱ、Ⅲ。具体为：先沿材料方向Ⅰ钻孔 并去掉孔芯，得到试件的圆柱形内壁；再钻去外部多余材料，得到同轴圆柱 形外壁，获得薄壁管状材料试件；

SS2.用结构胶将薄壁管状试件的内壁与转动内管外壁粘连，试件外壁 与固定外管的两半圆形套筒内壁粘连；

SS3.将上定位环穿过内管，嵌入外管上端，并用螺栓将上定位环与外 管上端固定连接；将下定位环嵌入外管下端，两者用螺栓固定连接；

SS4.将下定位环与下连接盘用螺栓连接，下连接盘固定并设置扭矩传 感器；将内管上端与上连接盘用螺栓连接，上连接盘与法兰盘用螺栓连接；

SS5.对法兰盘施加扭转力矩，通过测量外管的扭矩、内管的扭转角和 外壁面积得到薄壁管状试件的横向剪切应力-应变曲线，并由此计算出横向剪 切模量和剪切强度。

相对于现有技术，本发明的优点在于，它巧妙的利用特殊取样的薄壁管 状试件，通过薄壁管内、外壁相对扭转，使剪切应力仅产生在测试材料的横 向各向同性方向，参数测量直观方便，试验数据准确。

附图说明

图1为本发明的横向各向同性材料剪切性能测试装置示意图，其中，(A) 为整体图，(B)为关键截面爆炸图；

图2为装置整体装配透视图；

图3为材料坐标及取样示意图；

图4为薄壁管试件环形横截面剪切受力示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举 实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1～2所示，本发明的测量横向各向同性材料剪切性能的装置，包括 薄壁管状试件1、固定外管2、转动内管3、结构胶4、下定位环5、下连接 盘6、扭矩传感器7、上定位环8、上连接盘9、法兰盘10。

参照图3，将横向各向同性材料加工成薄壁管状试件，其中轴向为方向 Ⅰ，横截面内为相互垂直的方向(横向)Ⅱ、Ⅲ。具体为：先沿材料方向Ⅰ 钻孔并去掉孔芯，得到试件的圆柱形内壁；再削去外部多余材料，得到同轴 圆柱形外壁。

参照图1和图2，用结构胶4将薄壁管状试件1的内壁与转动内管3外 壁粘连，试件1外壁与固定外管2的两半圆形套筒内壁粘连；将上定位环8 穿过内管3，嵌入外管2上端，并用螺栓将上定位环8与外管2上端固定连 接；将下定位环5嵌入外管2下端，两者用螺栓固定连接；将下定位环5与 下连接盘6用螺栓连接，下连接盘6固定并设置扭矩传感器7；将内管3上 端与上连接盘9用螺栓连接，上连接盘9与法兰盘10用螺栓连接。

在使用本发明的测量横向各向同性材料剪切性能的装置时，参照图1， 对法兰盘10施加扭转力，使上连接盘9和内管3带动薄壁管状试件1内壁扭 转，测量法兰盘10扭转角；同时，外管2固定在下连接盘6上，使薄壁管状 试件1外壁保持静止，测量下连接盘6所受扭矩。这样，如图4所示，试件 的内、外壁发生相对扭转，仅在试件的环形横截面上内产生剪切应力。通过 测量外管2的扭矩、内管3的扭转角和外壁面积，可得到薄壁管试件1的横 向各向同性方向剪切应力-应变曲线，并由此计算出横向剪切模量和剪切强 度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的范围之内。