一种复合材料薄板面内剪切试验夹具和试验方法

摘要

本发明公开了一种复合材料薄板面内剪切试验夹具，包括插头、夹板、压板。插头为T型结构，一端为圆柱形接头，圆柱形接头的远端设有通孔，近端设有螺纹，用于与试验机的夹具端口固定连接，插头的另一端为与圆柱形接头的轴向垂直的连接板；夹板与插头的连接板固定连接，夹板和压板上还设有位置对应的通孔，被设置为可以通过紧固件将待测试件固定；插头、夹板和压板为两组，分别用于固定连接在待测试件的两边。本发明还相应公开了使用该试验夹具的试验方法以及适用于该试验夹具的待测试件制作方法。本发明公开的试验夹具可以利用普通试验机实现剪切加载，具有加载装置简单、加载灵活，剪应力场均匀等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及工程测试技术领域，尤其涉及一种复合材料薄板面内剪切试验夹具和试验方法，可应用于航空、航天、土木工程等工程领域的复合材料薄板面内剪切性能测试。

背景技术

在工程技术领域，复合材料薄板是组成复杂工程结构的基本构件，其面内剪切性能是重要设计因素。

目前复合材料面内剪切性能的测试方法主要有：扭转法、偏轴拉伸法和剪切法。扭转法沿用了金属材料剪切性能试验方法原理，最常用的扭转法为薄壁圆筒扭转法，其测试原理为在薄壁圆筒两端施加扭矩，薄壁圆筒中产生纯剪切应力场来对材料的力学响应进行测试。但是采用薄壁圆筒扭转法时，夹在试样两端的扭矩会引起剪切应力，局部有非均匀剪切应力，致使主要破坏发生在试样的端部，而不是试样主要测量的中间部位，导致试验结果偏差比较大，而且要将材料制成圆筒形状，工艺复杂。偏轴拉伸法使用最多的是±45°偏轴拉伸法。±45°偏轴拉伸试验试样采用±45°均衡对称铺层的层压板以消除拉－剪耦合效应。±45°偏轴拉伸法具有试样制备简单、加载简单、重复性好等优点。但在加载试验中的材料不处于纯面内剪切状态，因为在整个试验中存在面内正应力分量，且在接近自由边界面处存在着复杂的应力场，而且被测试的试件要求具有沿着±45°的对称性。平纹织物可采用偏轴拉伸，而对于非对称铺层，非平纹织物的其它大单胞织物结构，一般采用剪切法来测定。

剪切法的原理是利用一对不共线的共面荷载对薄板试件实现剪切加载。一般常采用的有轨道剪切法、Iosipescu剪切法和V形开口轨道剪切法。

美国标准ASTM D4255规定了轨道剪切法的试验方法，该方法通过双轨或三轨夹具对试样的边缘施加剪切载荷以测定其面内剪切性能，主要缺点是应力状态非均匀。

美国标准ASTM D5379规定了Iosipescu剪切试验方法，该方法通过专用夹具对带有双V形槽层压板薄板试件(常为多层层合)槽口左右两边施加一对大小相等、方向相反的集中载荷，实现在薄板试件工作区(双V形槽中间部分)形成均匀的面内剪切应力场。该方法主要缺点是工作区较小，对于一些由粗纤维和大间距纤维构成的层合板不太适合。

美国标准ASTM D7078规定了V形开口轨道剪切试验方法，该方法采用两对加载轨将V形开口试样两边夹持住，当施加拉力时，轨道通过试样表面将剪切载荷传递给试样。该方法主要缺点是加载设备和配套夹具复杂，试验成本较高。

上述三种剪切测试方法有各自的优缺点，因此对于测试复合材料的剪切性能，尤其是具有非对称大尺度单胞结构的编织复合材料时，本领域技术人员希望能够找到一种更加简单有效的试验方法。

发明内容

有鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种新的剪切试验方法和试验夹具，具有加载装置简单、加载灵活，剪应力场均匀等优点。本发明也适用于一般的复合材料薄板面内剪切性能的测试。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合材料薄板面内剪切试验夹具和试验方法，具体地，本发明提供的技术方案如下：

一种复合材料薄板面内剪切试验夹具，包括插头、夹板和压板；插头为T型结构，一端为圆柱形接头，圆柱形接头的远端设有通孔，近端设有螺纹，用于与试验机的夹具端口固定连接，插头的另一端为与圆柱形接头的轴向垂直的连接板；夹板与插头的连接板固定连接，夹板和压板上还设有位置对应的通孔，被设置为可以通过紧固件将待测试件固定；插头、夹板和压板为两组，分别用于固定连接在待测试件的两边。

优选地，插头的连接板相对于圆柱形接头轴线双垂直面呈不对称分布。

优选地，夹板和压板朝向待测试件的接触面为粗糙面。

优选地，夹板和压板上位置对应的通孔为3排6个。

优选地，夹板与插头的连接板通过螺栓连接。

优选地，夹板和压板采用不锈钢或合金钢材料制成。

一种使用复合材料薄板面内剪切试验夹具的试验方法，步骤如下：

第一步，将一对插头和一对夹板分别用螺栓固定连接；

第二步，将固定有夹板的插头分别与试验机的两个夹具端口连接，将销栓插入插头的通孔中，并拧紧螺母，固定好插头和夹板；

第三步，调整两个夹板的高度，使其相对应的螺栓孔大致处在同一水平位置上；

第四步，将待测试件安装到两个夹板上，盖上压板，用螺栓拧紧固定；

第五步，试验机预载、清零，设定好参数并开始试验，试验机通过插头、夹板和压板对待测试件施加一对不共线的共面剪切荷载，以此实现对薄板试件的剪切加载；

第六步，记录得到试验机夹具端头位移和力的数据。

一种适用于复合材料薄板面内剪切试验夹具的待测试件制作方法，将两块大小相同的待测试件覆盖在两块垫板和KT板两侧，制作成类似三合板的结构，KT板位于两块垫板之间，且与垫板间留有间隙，待测试件与KT板通过胶合固定，在与夹板的通孔对应的位置开孔，用于通过紧固件与试验夹具的夹板和压板连接。

优选地，垫板为铝合金垫板，胶合采用环氧树脂结构胶粘合。

优选地，KT板宽10mm。

本发明提供的试验夹具和试验方法可以实现复合材料薄板的面内剪切性能的测试，加载装置简单，加载灵活，可应用于航天、航空、机械、土木等工程技术领域的复合材料薄板面内剪切性能测试。

以下将结合附图对本发明的方法及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的装配图

图2是本发明较佳实施例的正视图

图3是本发明较佳实施例的左视图

图4是本发明较佳实施例的立体图

图5是本发明较佳实施例的薄板剪切试验试件

具体实施方式

本实施例提供的试验夹具的装配图如图1所示，包括插头1、夹板2和压板3。试件4为待测剪切性能的试验样品。插头1、夹板2和压板3分别为一对，用于与试件4的两侧固定连接。插头1为T型结构，插头1的一端为圆柱形接头，圆柱形接头的远端设有通孔，用于紧密配合插入试验机夹具用栓销定位，并通过圆柱形接头的螺纹和与夹具接头的螺母拧紧，从而与试验机的夹具端口固定连接。插头1的另一端为与圆柱形接头轴向垂直的连接板，该连接板外侧部分设4个通孔，通过螺栓与夹板2连接。插头1的连接板相对于圆柱形接头轴线双垂直面呈不对称分布，以此实现不同厚度的试件在安装好之后相对于夹具对称。夹板2靠近插头1的一端相应设有与插头1的连接板连接的通孔。夹板2上还设有3排6个通孔，压板3和试件4在相同位置上设有相应的通孔，保证了夹板2、压板3可以通过螺栓压紧的方式来夹紧试件4。夹板2和压板3朝向试件4的接触面为粗糙面，以此来增大和试件4之间的摩擦。在试验夹具安装完毕后，压板3和插头1的连接板在厚度方向上是齐平的，保证了整个夹具装置的美观。插头1、夹板2、压板3都可以采用不锈钢或者合金钢材料加工制作。

图2-4示出了本实施例试验夹具的正视图、左视图和立体图。在插头1、夹板2、压板3、试件4安装好之后，试件的中间区域为剪切区域，并未被夹板2和压板3覆盖，该区域在宽度和厚度方向上关于夹具装置对称。夹板2和压板3通过螺栓连接，压紧试件4，并通过压板3、夹板2给试件4施加一对不共线的平行荷载，以此来对试件4实现剪切加载。

薄板试件的制作一般可采用方法：对于复合材料薄板，可以通过测量多层粘合之后层合板的面内剪切性能来得到单层的面内剪切性能，对于厚度较大的材料，可以直接测试。本发明提供了一种针对超薄非对称大尺度单胞编织复合材料板的试件制作方法。图5给出了本实施例提供的薄板剪切试验试件制作需要薄板41、铝合金垫板42、KT板43。试件为两层薄板41中间夹铝合金垫板42和KT板43。薄板41在两边的夹持区域各开3排6个通孔，这6个通孔在位形上和压板3、夹板2所设通孔一致。薄板41的两边的夹持区域垫铝合金垫板42，中间的剪切区域垫KT板43，KT板43和铝合金垫板42之间留有空隙，KT板和薄板之间用环氧树脂结构胶粘合。

本实施例还提供了一种使用上述试验夹具的试验方法，可应用于复合材料，尤其是非对称大尺度单胞编织复合材料的剪切性能测试，试验方法包括以下步骤：

第一步，将一对插头和一对夹板分别用螺栓固定连接；

第二步，将固定有夹板的插头分别与试验机的两个夹具端口连接，将销栓插入插头的通孔中，并拧紧螺母，固定好插头和夹板；

第三步，调整两个夹板的高度，使其相对应的螺栓孔大致处在同一水平位置上；

第四步，将待测试件安装到两个夹板上，盖上压板，用螺栓拧紧固定；

第五步，试验机预载、清零，设定好参数并开始试验，试验机通过插头、夹板和压板对待测试件施加一对不共线的共面剪切荷载，以此实现对薄板试件的剪切加载；

第六步，记录得到试验机夹具端头位移和力的数据。

本实施例中所设置的通孔数量均可根据试件的大小以及试验要求改变，螺栓的固定连接方式也可通过其他紧固件替代。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。