一种用于夹芯结构板侧压试验的组装夹具

摘要

一种用于夹芯结构板侧压试验的组装夹具，为解决大尺寸、非对称的夹芯板在进行侧压性能试验时，难以压心对中，挠度大的问题。上夹头与下夹头上下设置，且上夹头的深槽与下夹头的U型槽相对设置，四个竖限位板呈矩形布置上夹头与下夹头之间，每个竖限位板的上端位于深槽内，每个竖限位板的下端位于U型槽内，横向平行的两个竖限位板之间的上端设置有一个通用垫块和一个调整垫块，横向平行的两个竖限位板之间的下端设置有一个通用垫块和一个调整垫块，两个通用垫块上下正对设置，两个调整垫块上下正对设置，两个端板分别设置在上夹头和下夹头的上下端，上夹头上的上锥楞和下夹头上的下锥楞分别嵌入相对应的V型槽中。本发明用于夹芯结构板侧压试验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种夹芯结构板试验夹具，具体涉及一种用于夹芯结构板侧压试验的组装 夹具。

背景技术

在夹芯结构板侧压试验夹具设计方面需要考虑众多的因素，例如与试验机和试验件的 简便装配、实现对中度良好的加载、限制面外位移以符合压缩标准、合理的支持约束、最 大化的降低夹具加工难度、提高夹具精度和使用寿命，以及试验安全性等。

在本领域中平板类侧压试验的夹具种类较多，其装配一般为上下端头夹持试验件，通 过垫块调整试验件的前后位置，并连接至试验机进行压缩试验。而这些夹具在试验件左右 两侧边缘的限制大致有三种：⑴、试验件左右两侧边缘无约束，导致边界条件太弱，会出 现试验件屈曲现象。⑵、试验件左右两侧边缘完全固定，见图25，导致边界约束太过强， 对于尺寸较大的夹芯结构板，尤其是内外蒙皮非对称的复合材料及夹芯结构，在压心对中 方面一般夹具无法精确满足，并且在侧压试验时会有较大挠度，过早出现屈曲现象将给试 验保持压缩工况带来困难。⑶、试验件左右两侧边缘采用圆杆17限制，见图26，圆杆17 与试验件为线接触，横向的两个圆杆17之间没有连接，导致边界约束较弱，会出现试验 件屈曲现象。综上⑴、⑵、⑶所述，现有平板类侧压试验的夹具只适用于小型 (500mm×600mm以下)的试验件或对称的夹芯结构，对于尺寸较大的夹芯结构板，尤其 是内外蒙皮非对称的复合材料及夹芯结构，在压心对中方面上述夹具无法精确满足。

发明内容

本发明为解决大尺寸(500mm×600mm)的蒙皮非对称的复合材料夹芯板在进行侧压 性能试验时，难以压心对中，挠度过大无法保持压缩加载工况，导致破坏瞬间试验件被二 次破坏的问题，而提出一种用于夹芯结构板侧压试验的组装夹具。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：

本发明的一种用于夹芯结构板侧压试验的组装夹具包括上夹头、下夹头、两个端板、 两个通用垫块、两个调整垫块、两个长孔连接元件、两个圆孔连接元件、四个竖限位板和 限位连接元件，上夹头的横截面呈H型，上夹头的横边上端为浅槽、下端为深槽，浅槽 的底面沿中轴长度方向设有上锥楞，上夹头上的且对应深槽的一个竖侧边上沿长度方向设 有数个第一上螺纹孔，上夹头上的且对应深槽的另一个竖侧边上沿长度方向设有两个第二 上螺纹孔，上夹头的每个竖边的两端沿高度方向分别设有长孔，下夹头的横截面呈U型， 下夹头的下端面沿中轴长度方向设有下锥楞，下夹头的其中一个竖边沿长度方向设有数个 下螺纹孔，下夹头的每个竖边的两端分别设有圆孔，上锥楞与下锥楞的锥度相同，每个端 板的一侧端面沿中轴长度方向设有V型槽，每个端板的另一侧端面的中心处设有连接螺 纹孔，上锥楞和下锥楞的锥角α小于V型槽的V型角β，上夹头与下夹头上下设置，且 上夹头的深槽与下夹头的U型槽相对设置，上夹头上具有第一上螺纹孔的竖侧边与下夹 头上具有下螺纹孔的竖边上下正对设置，四个竖限位板呈矩形布置上夹头与下夹头之间， 每个竖限位板的上端位于深槽内，每个竖限位板的下端位于U型槽内，横向平行的两个 竖限位板之间的上端设置有一个通用垫块和一个调整垫块，横向平行的两个竖限位板之间 的下端设置有一个通用垫块和一个调整垫块，且两个通用垫块上下正对设置，两个调整垫 块上下正对设置，通用垫块上且朝向竖限位板的一侧端面上沿长度方向设有两个第一梯形 槽，调整垫块上且朝向竖限位板的一侧端面上沿长度方向设有两个第二梯形槽，每个竖限 位板的上端设有与长孔对应的上连接孔，每个竖限位板的下端设有与圆孔对应的下连接 孔，每个竖限位板沿长度方向设有数个限位孔，两个端板分别设置在上夹头和下夹头的上 下端，且上夹头上的上锥楞和下夹头上的下锥楞分别嵌入相对应的V型槽中，长孔连接 元件将竖限位板的上端与上夹头固定连接，圆孔连接元件将竖限位板的下端与下夹头固定 连接，限位连接元件将横向的两个竖限位板固定连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明可通过试件的中心位置(压心位置)设计通用垫块和调整垫块厚度，精确 的垫块厚度使压心对中的误差在0.1mm以内，从而保证夹芯板蒙皮表面应变内外对称， 误差至少达到5％以内，因此，本发明适用于大尺寸(500mm×600mm以上)的试验件或 对称的夹芯结构。

2、本发明将试件先装夹在组装夹具上，装夹后再整体放到试验机上，上方的端板通 过其上的连接螺纹孔与试验机上的连接部件连接，因此，本发明组装简便，易于试前调整； 相比传统的先将夹具装在试验机上，再将试验件装入夹具的方法简便，且工艺精度高。

3、试件左右两侧边缘采用竖限位板限制，竖限位板与试件为面接触，横向的两个竖 限位板之间通过限位连接元件连接，试件边界得到的约束适中，保证面内压缩时试验件不 过早出现屈曲现象。

4、本发明上夹头和下夹头与其对应的端板连接均采用锥楞嵌入V型槽的方式，从而 实现刀型口简支约束，这种设计方便装配和加载。

5、本发明的组装夹具整体安全性高，上夹头上的长孔和下夹头上的圆孔设计不影响 加载方向的自由度，同时防止试验件破坏瞬间破坏时夹具或试验件散架。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明的整体结构主视图；

图3是图1的A-A剖面图；

图4是图1的俯视图；

图5是图3的I局部放大图；

图6是上夹头1的主视图；

图7是图6的左视图；

图8是图6的俯视图；

图9是图7的Ⅱ局部放大图；

图10是下夹头2的主视图；

图11是图10的左视图；

图12是图10的俯视图；

图13是图11的Ⅲ局部放大图；

图14是端板3的横截面视图；

图15是通用垫块4的主视图；

图16是图15的B-B剖面图；

图17是图15的俯视图；

图18是调整垫块5的主视图；

图19是图18的C-C剖面图；

图20是图18的俯视图；

图21是竖限位板6的主视图；

图22是非对称的复合材料夹芯板与夹具装配后，上下夹头中心与试件10的压心重合 示意图；

图23是非对称的复合材料夹芯板压心位置图(图中标记M箭头所指为压心位置)；

图24是外侧面板紧贴调整垫块5的厚度d的示意图；

图25是现有试验件夹具(两侧边缘完全固定)的结构示意图(图中标记15为L形 限制板、标记16为顶部组合件)；

图26是现有试验件夹具(两侧边缘采用圆杆17限制)的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图21说明本实施方式，本实施方式包括上夹头1、下夹 头2、两个端板3、两个通用垫块4、两个调整垫块5、两个长孔连接元件7、两个圆孔连 接元件8、四个竖限位板6和限位连接元件9，

上夹头1的横截面呈H型，H型方便组装时反向水平放置，上夹头1的横边上端为 浅槽11、下端为深槽12，浅槽11的底面沿中轴长度方向设有上锥楞111，上夹头1上的 且对应深槽12的一个竖侧边上沿长度方向设有数个第一上螺纹孔13，上夹头1上的且对 应深槽12的另一个竖侧边上沿长度方向设有两个第二上螺纹孔18，上夹头1的每个竖边 的两端沿高度方向分别设有长孔14，

下夹头2的横截面呈U型，下夹头2的下端面沿中轴长度方向设有下锥楞21，下夹 头2的其中一个竖边沿长度方向设有数个下螺纹孔22，下夹头2的每个竖边的两端分别 设有圆孔23，上锥楞111与下锥楞21的锥度相同，

每个端板3的一侧端面沿中轴长度方向设有V型槽31，每个端板3的另一侧端面的 中心处设有连接螺纹孔32，上锥楞111和下锥楞21的锥角α小于V型槽31的V型角β，

上夹头1与下夹头2上下设置，且上夹头1的深槽12与下夹头2的U型槽相对设置， 上夹头1上具有第一上螺纹孔13的竖侧边与下夹头2上具有下螺纹孔22的竖边上下正对 设置，四个竖限位板6呈矩形布置上夹头1与下夹头2之间，每个竖限位板6的上端位于 深槽12内，每个竖限位板6的下端位于U型槽内，横向平行的两个竖限位板6之间的上 端设置有一个通用垫块4和一个调整垫块5，横向平行的两个竖限位板6之间的下端设置 有一个通用垫块4和一个调整垫块5，且两个通用垫块4上下正对设置，两个调整垫块5 上下正对设置，通用垫块4上且朝向竖限位板6的一侧端面上沿长度方向设有两个第一梯 形槽41，调整垫块5上且朝向竖限位板6的一侧端面上沿长度方向设有两个第二梯形槽 51，每个竖限位板6的上端设有与长孔14对应的上连接孔61，每个竖限位板6的下端设 有与圆孔23对应的下连接孔62，每个竖限位板6沿长度方向设有数个限位孔63，

两个端板3分别设置在上夹头1和下夹头2的上下端，且上夹头1上的上锥楞111 和下夹头2上的下锥楞21分别嵌入相对应的V型槽31中，

长孔连接元件7将竖限位板6的上端与上夹头1固定连接，圆孔连接元件8将竖限位 板6的下端与下夹头2固定连接，限位连接元件9将横向的两个竖限位板6固定连接，限 位连接元件9约束竖限位板6向外移动。通用垫块4的厚度s和调整垫块5的厚度d可根 据试验件10的厚度确定。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的上夹头1的深槽12宽度 与下夹头2的U型槽宽度相等。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图9说明本实施方式，本实施方式的上锥楞111的锥角α为 60°。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图9和图13说明本实施方式，本实施方式的下锥楞21的锥角 与上锥楞111的锥角相等。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图14说明本实施方式，本实施方式的V型角β为90°。其它 组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图6说明本实施方式，本实施方式的数个上螺纹孔13的数量 为10个，10个上螺纹孔13均布设置。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图10说明本实施方式，本实施方式的下螺纹孔22的数量为 10个，10个下螺纹孔22均布设置。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图21说明本实施方式，本实施方式的限位孔63的数量为3 个，3个限位孔63均布设置。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图16和图19说明本实施方式，本实施方式的第一梯形槽41 和第二梯形槽51均为直角梯形，第一梯形槽41的斜边与该梯形下底边之间的夹角为60°， 第二梯形槽51的斜边与该梯形下底边之间的夹角为60°。第一梯形槽41是配合第二上螺 纹孔18，第二梯形槽51是配合第一上螺纹孔13，在装配时初步固定上夹头1的调整垫块 5，另外当试件10与夹具处于竖立状态并需要添加垫片时，可以保证其他第一上螺纹孔 13上的螺钉松开时调整垫块5不掉落，并且水平位置不变动，方便对中的调整。其它组 成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图19说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九不同的 是它还包括第一垫片19和第二垫片20，第一垫片19设置在通用垫块4与试验件10之间， 第二垫片20设置在调整垫块5与试验件10之间。设计所需限位滑块的厚度，如需微调可 以适当加入薄垫片。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

本发明的装配方法：

步骤一、将下夹头2的U型槽内清理干净，并水平放置；

步骤二、将试件10的下端置于下方的通用垫块4与下方的调整垫块5之间，试件10 的两端与通用垫块4和调整垫块5的两端对齐后放入U型槽内，且通用垫块4位于下螺 纹孔22一侧，每个下螺纹孔22内螺纹连接一个螺钉，用该螺钉顶住通用垫块4，用扭矩 扳手将该螺钉旋紧固定。

步骤三、将上夹头1的深槽12朝向且将上夹头1水平放置，并将上夹头1上具有第 一上螺纹孔13的竖侧边与下夹头2上具有下螺纹孔22的竖边上下正对设置，将深槽12 内清理干净；

步骤四、将装好下夹头2的试件翻转180°，试件倒立装入深槽12中，同理试验件1 置于上方的通用垫块4与上方的调整垫块5之间，且步骤四中的通用垫块4与步骤二中的 通用垫块4上下正对，步骤四中的调整垫块5与步骤二中的调整垫块5上下正对，每个第 一上螺纹孔13内螺纹连接一个螺钉，用该螺钉顶住步骤四中的通用垫块4，用扭矩扳手 将该螺钉旋紧固定，每个第二上螺纹孔18内螺纹连接一个螺钉，该螺钉仅旋入第二上螺 纹孔18内卡住调整垫块5使之不下滑，不用旋紧；

步骤五、将夹具再翻转180°(即上夹头1位于上方)，从夹具侧边分别加入4个竖限 位板6，长孔连接元件7通过长孔14将竖限位板6与上夹头1固定连接，圆孔连接元件8 通过圆孔23将竖限位板6与下夹头2固定连接，至此，组装夹具整体装配完毕。

步骤六、将下方的端板3与试验机平台连接，下方的端板3与试验机压头连接， 将步骤五中组装好的夹具整体放置到两个端板3之间，即可开始试验。

试件10的压心位置的确定：

当试件10为非对称的复合材料夹芯板时(即夹芯板的内外面板厚度不等)，要保证试 验机的载荷作用在试件10的中心位置(压心)，这就需要计算出试件10的压心位置，以 此确定调整垫块5厚度，装配后使上夹头1和下夹头2中心与试件10的压心重合，见图 22，

由于非对称夹芯板的内外面板厚度不等，因此需要将载荷施加在其压心上(而不是其 中心)，以保证试验时内外面板的应变值相同，如图23，夹芯板由内面板(厚度d₁)和外 面板(厚度d₂)以及之间的夹心层粘合而成，压心位置将较为靠近厚的面板一侧，

下面根据层合板刚度计算推导内外面板不对称情况下试件10的压心位置：

将夹芯板的内外面板均看做层合板，由复合材料力学知识得到，层合板刚度公式为

{N}＝[A]{ε}+[B]{κ}(1)

其中，[A]代表层合板的拉伸刚度矩阵，[B]代表由弯矩引起的耦合项矩阵，{ε}代表 应变，{κ}代表层合板中性面的曲率；

对称结构的耦合刚度矩阵为零，即[B]＝0，因此(1)式可以写作

$\left(\begin{array}{c}{N}_x\\ N_y\\ N_{xy}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{A}_{11}& A_{12}& A_{16}\\ A_{12}& A_{22}& A_{26}\\ A_{16}& A_{26}& A_{66}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{ϵ}_x^0\\ {ϵ}_y^0\\ {\gamma }_{xy}^0\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，下角标分别表示应力应变的方向，x为水平方向(即试件宽度方向)，y为垂 直方向(即试件长度方向)，xy为水平方向与垂直方向形成的平面，N_x表示试件水平方 向(x方向)单位长度上所施加的轴力，N_y表示试件垂直方向(y方向)单位长度上所施 加的轴力，N_xy表示在试件平面内(oxy面内)单位长度所施加的剪力；表示层合板中 性面上x方向的应变，表示层合板中性面上y方向的应变，表示层合板中性面上oxy 面内的剪应变；A_ij(i＝1,2,6、j＝1,2,6)为简化后的层合板的拉伸刚度矩阵中的项，可以 根据已知材料参数给出具体数值，如：A₁₁、A₁₂、A₁₆、A₂₂、A₂₆、A₆₆；

根据复合材料力学基础，对于试验所用的正规对称角铺设的层合板，有

A₁₆＝A₂₆＝0(3)

根据复合材料力学基础，对于试验所用的正规对称角铺设的层合板，有

A₁₆＝A₂₆＝0(3)

将式(3)代入式(2)有

$\left(\begin{array}{c}{A}_{11}{ϵ}_x^0+A_{12}{ϵ}_y^0=N_x\\ A_{12}{ϵ}_x^0+A_{22}{ϵ}_y^0=N_y\end{array}\right)---\left(4\right)$

因为试件10仅受单向压缩载荷，受压方向为y向，x方向不受力，故有

N_x＝0(5)

联立式(4)与式(5)得

$\frac{A_{11}{A}_{22}-A_{12}^2}{A_{11}}{ϵ}_y^0=N_y---\left(6\right)$

对于内外面板厚度不同的非对称夹芯板，要使得载荷作用在压心上，内外面板受压方 向即y方向应变应该相同，即故有

由因作用在内侧面板上的单位长度的力N_y|_内侧和作用在内侧面板上的单位长度的力 N_y|_外侧要关于压心力矩平衡，故

N_y|_内侧×z₁＝N_y|_外侧×z₂(8)

其中，z₁、z₂分别为内侧和外侧面板的中性面到压心的距离，如图2所示。

联立式(7)和式(8)，得到如下内外面板中性面到压心的距离的关系式：

因而，根据所给材料参数及试验件铺层信息可得试验件刚度阵，结合夹心板各夹层厚 度尺寸从而求得压缩件的压心位置。根据所求压心位置，可设计调整垫块5的厚度，

调整垫块5的厚度d计算公式：由公式(7)可知：

设λ为可以由材料参数计算得到的常数

则式(9)可以改写成

$\left(\begin{array}{c}{Z}_5={\mathrm{\lambda Z}}_3\\ Z_3=Z_5/\lambda \end{array}\right)---\left(10\right)$

因试件总厚度由Z_1、Z₂和内外面板厚度d₁、d₂构成，如图2，故

$z_1+z_2+\frac{1}{2}(d_1+d_2)=b,---\left(11\right)$

公式(11)代入公式(10)中，得到

$\left(\begin{array}{c}{Z}_1=\frac{[b-(d_1+d_2)/2]}{1+\lambda }\\ Z_2=\frac{[b-(d_1+d_2)/2]\lambda }{1+\lambda }\end{array}\right)$

调整垫块5的厚度d：

外侧面板紧贴调整垫块5的厚度d(如图24)：

$d=\frac{1}{2}a-(z_2+\frac{1}{2}{d}_2)$

内侧面板紧贴调整垫块5的厚度d：

$d=\frac{1}{2}a-(z_1+\frac{1}{2}{d}_1)$

其中，a为深槽12的宽度，b为试件10总厚度，d₁为内侧面板厚度，d₂为外侧面 板厚度，Z₁为内侧面板的中性面到压心的距离，Z₂为外侧面板中性面到压心的距离；其 中a、b、d₁、d₂均为已知尺寸，Z₁、Z₂、d等为需要计算的量；

通用垫块4的厚度s不需要计算，因为当上下夹头、调整垫块5和试件10相互紧靠 时，压心的位置直接由调整垫块5直接调整到与上下夹头中心重合，即载荷以作用在试验 件10的压心上，通用垫块在此作用是固定试件，故只需通过上螺纹孔13和下螺纹孔22 用螺钉抵住通用垫块4即可填补通用垫块4和夹头之间的空隙；

如需微调可以在试件10和调整垫块5之间适当加入第一垫片19和第二垫片20。