用于碳纤维复合材料性能测试的多轴试验机及试验方法

摘要

本发明提供一种用于碳纤维复合材料性能测试的多轴试验机及试验方法，其特点是：包括具有移动平台的Stewart并联机构、门式立架、两个对心夹紧装置，每个对心夹紧装置上各设置一试样夹头，门式立架包括底座、两根立柱、上梁及T型移动架，T型移动架包括横向连接臂和纵向伸出臂，横向连接臂的两端分别活套在两根立柱上，并用连接件紧固定位。Stewart并联机构安装于底座上，一个对心夹紧装置安装于移动平台上在三维空间移动；另一个对心夹紧装置安装于T型移动架的纵向伸出臂上，随之上下移动。实现承载能力强、能够在空间多个自由度运动、对碳纤维复合材料机械性进行各轴方向及多种加载模式下的力学测试，解决了现有技术的难题。

说明书

技术领域

本发明属于材料试验装备技术领域,涉及一种材料性能试验机，具体说是一种用于碳纤维复合材料性能测试的多轴试验机及试验方法。

背景技术

材料的力学性能是设计各种工程结构选用材料的主要依据，这些力学性能都需要按照规定的试验方法和试验设备进行测定。材料试验机主要用来对金属或非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等外加载荷下的力学性能进行测试。从而评判材料的机械性能、工艺性能以及是否存在内部缺陷。

目前市场上的材料试验机大都只能对材料进行单一轴向的力学性能进行测试。

碳纤维复合材料以其重量轻、比强度比刚度大、耐腐蚀等优点，已经被广泛应用于航空、航天、车辆、建筑以及船舶等领域。目前，碳纤维复合材料越来越多的用于承力结构中，其所受到的应力状况越来越复杂，且碳纤维复合材料为各向异性材料，纤维角度、铺层顺序对材料性能影响极大，仅仅对其进行单轴力学性能试验并不足以完全验证其力学性能，需要进行多轴载荷下的力学性能测试，目前的材料试验机不能满足其用途。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种用于碳纤维复合材料性能测试的多轴试验机及试验方法，实现承载能力强、能够在空间多个自由度运动、对碳纤维复合材料机械性进行各轴方向及多种加载模式下的力学测试。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机，其特征在于，包括具有移动平台的Stewart并联机构、门式立架、两个对心夹紧装置，每个对心夹紧装置上各设置一试样夹头，所述门式立架包括底部的底座、底座上竖直设置的两根立柱、连接两根立柱上端的上梁及T型移动架，T型移动架包括横向连接臂和纵向伸出臂，所述横向连接臂的两端分别活套在两根所述立柱上，并用连接件紧固定位；所述Stewart并联机构安装于所述底座上，一个所述对心夹紧装置安装于所述Stewart并联机构的移动平台上，随所述移动平台在三维空间移动，另一个所述对心夹紧装置安装于所述T型移动架的纵向伸出臂上，随所述T型移动架上下移动。

对上述技术方案的改进：所述的连接件包括调整螺柱和定位螺母，所述上梁中间竖向设置中心孔，所述调整螺柱的下端安装在所述T型移动架上，所述调整螺柱的上端穿过所述上梁的中心孔，并用所述定位螺母紧固定位。

对上述技术方案的进一步改进：所述的对心夹紧装置包括水平导轨、螺杆、滑块、V型卡爪及定位螺栓，两个所述滑块对称安装在所述水平导轨的两端，所述螺杆两端的螺纹旋转方向相反，所述螺杆穿在两个所述滑块上的螺孔中，所述螺杆的一端设置有手柄；两个所述V型卡爪开口相对分别安装在两个所述滑块内侧；在所述水平导轨的两侧分别设置有安装板，两个所述对心夹紧装置通过安装板分别固定在所述Stewart并联机构的移动平台上及所述T型移动架的纵向伸出臂上。

对上述技术方案的进一步改进：在所述的水平导轨上设置有分离式轴套，所述分离式轴套位于两个所述滑块之间，并用定位螺栓固定在水平导轨上，两个所述滑块之间的所述螺杆安装在分离式轴套中。

对上述技术方案的进一步改进：所述的试样夹头包括L型夹紧板、夹紧螺栓及契块，两个所述L型夹紧板的立板背面相对设置，其中一个L型夹紧板的立板上设置有通孔，另一个L型夹紧板的立板上设置有与所述通孔对应的螺孔，所述夹紧螺栓穿过所述通孔并拧入所述螺孔中；在所述L型夹紧板4.1的中间部位设有凹槽，所述契块镶嵌在所述凹槽中，且表面略突出于所述凹槽，所述的契块的外露表面为锯齿面；L型夹紧板的底板端部设置有与所述V型卡爪的V型槽匹配的凸起，所述L型夹紧板通过所述凸起安装在所述V型卡爪的V型槽内。

对上述技术方案的进一步改进：所述的Stewart并联机构还包括静平台、6个作动器、球铰、力传感器以及控制器，所述静平台为正三角形，在所述静平台的三个角上各设置有螺孔，6个作动器的底端和顶端各设置有球铰，所述作动器的底端每两个为一组固定在所述静平台的三个角上；6个作动器的顶端各连接一力传感器，6个力传感器均匀分布、固定在移动平台底面的同一圆周上，所述Stewart并联机构的静平台固定在门式立架的底座上。

对上述技术方案的进一步改进：所述的作动器由液压缸构成，液压缸的油路转换阀连接到Stewart并联机构的控制器，Stewart并联机构在初始位置状态，6条所述作动器的长度相等，所述移动平台处于水平位置。

一种上述用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将试件的两端分别置于上下两个试样夹头的契块之间，拧紧夹紧螺栓将试件夹牢牢地固定住，并将应变片粘接在两个试样夹头之间未被夹住的试件上。

步骤二：将Stewart并联机构的位置调到初始位置：6条作动器长度相等，保证移动平台处于水平位置；然后，通过门式立架上的调整螺柱将T型移动架的位置调高；把带有试件的一个试样夹头安装到移动平台上的对心夹紧装置上，并通过转动手柄，使滑块向中间移动，将试样夹头牢牢地固定在移动平台上的对心夹紧装置上。

步骤三：将T型移动架向下调整到合适的位置，拧紧定位螺母将T型移动架固定；把带有试件的另一个试样夹头安装到T型移动架上的对心夹紧装置上，并通过转动手柄，将试样夹头牢牢地固定住；然后，再次调整T型移动架的高度，使试件处于基本拉直但未受拉力的状态。

步骤四：将应变片的输出端连接到Stewart并联机构的控制器，通过Stewart并联机构的控制器对试件进行单轴或多轴加载。

步骤五：根据6个力传感器测得的数据，计算得出试件在试验过程中受到的载荷，根据应变测试模块得到试验过程中试件的应变。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过引入Stewart并联机构，并构建由门式立架、对心夹紧装置和试样夹头组成的夹持机构，实现了承载能力强、能够在空间多个自由度运动、对材料试件进行多种加载模式下的力学测试。

2、本发明采用的Stewart并联机构具有刚度大、精度高、承载能力强、位置误差不累计等特点，能够在空间六个自由度运动，可以对材料试件实现多种加载模式。Stewart并联机构采用液压加载的方式，重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快，能够在大范围内无级调速，对试件实现不同的加载速率。解决了现有材料试验机不能多轴施力的难题。

3、本发明可以设置为立式结构或卧式结构的用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机，测试试样还包括：金属、非金属和其他高分子复合材料。

附图说明

图1是本发明一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机的结构示意图；

图2是本发明一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机中门式立架的结构示意图；

图3是本发明一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机中对心夹紧装置的结构示意图；

图4是本发明一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机中试样夹头的结构示意图；

图5是本发明一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机中Stewart并联机构结构示意图；

图6是本发明一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机中Stewart并联机构的主视图。

图中编号为： 1-Stewart并联机构，1.1-静平台、1.2-作动器、1.2.1-第一作动器、1.2.2-第二作动器、1.2.3-第三作动器、1.2.4-第四作动器、1.2.5-第五作动器、1.2.6-第六作动器、1.3-球铰、1.4-力传感器、1.5-移动平台、2-门式立架、2.1-底板、2.2-立柱、2.3-T型移动架、2.4-上梁、2.5-调整螺柱、2.6-定位螺母、3-对心夹紧装置，3.1-水平导轨、3.2-螺杆、3.3-手柄、3.4-滑块、3.5-V型卡爪、3.6-分离式轴套、3.7-定位螺栓、3.8-安装板、4-夹紧装置，4.1-L型夹紧板、4.2-夹紧螺栓、4.3-契块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明：

参见图1-图6，本发明一种用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机的实施例，包括具有移动平台1.5的Stewart并联机构1、门式立架2、两个对心夹紧装置3，每个对心夹紧装置3上各设置1个试样夹头4。门式立架2包括底部的底座2.1、底座2.1上竖直设置的两根立柱2.2、连接两根立柱2.2上端的上梁2.4及T型移动架2.3，T型移动架2.3包括横向连接臂和纵向伸出臂，所述横向连接臂的两端分别活套在两根所述立柱2.2上，并用连接件紧固定位。将上述Stewart并联机构安装于底座2.1上，一个对心夹紧装置3安装于上述的Stewart并联机构的移动平台1.5上，随所述移动平台1.5在三维空间移动，另一个对心夹紧装置3安装于所述T型移动架2.3的纵向伸出臂上，随T型移动架2.3上下移动。

具体而言：上述的连接件包括调整螺柱2.5和定位螺母2.6，所述上梁2.4中间竖向设置中心孔，调整螺柱2.5的下端安装在T型移动架2.3上，调整螺柱2.5的上端穿过所述上梁2.4的中心孔，并用定位螺母2.6紧固定位。

上述对心夹紧装置3包括水平导轨3.1、螺杆3.2、滑块3.4、V型卡爪3.5及定位螺栓3.7，两个所述滑块3.4对称安装在所述水平导轨3.1的两端，所述螺杆3.2两端的螺纹旋转方向相反，所述螺杆3.2穿在两个所述滑块3.4上的螺孔中，转动螺杆3.2可使两个滑块3.4向中间移动，螺杆3.2的一端设置有手柄3.3，便于转动螺杆3.2。两个V型卡爪3.5开口相对分别安装在两个滑块3.4内侧，V型卡爪3.5用来固定试样夹头4。在水平导轨3.1的两侧分别设置有安装板3.8，两个对心夹紧装置3通过安装板3.8分别固定在Stewart并联机构1的移动平台1.5上及T型移动架2.3的纵向伸出臂上。

进一步地，在上述水平导轨3.1上设置有分离式轴套3.6，分离式轴套3.6位于两个滑块3.4之间，并用定位螺栓3.7固定在水平导轨3.1上，两个滑块3.4之间的螺杆3.2安装在分离式轴套3.6中。分离式轴套3.6有利于防止螺杆3.2弯曲变形，避免因V型卡爪3.5上下跳动导致试样受力波动影响测试结果。

再进一步地，上述试样夹头4包括L型夹紧板4.1、夹紧螺栓4.2及契块4.3，L型夹紧板4.1由一立板底边与一底板的一端连接而成。两个L型夹紧板4.1的立板背面相对设置，其中一个L型夹紧板4.1的立板上设置有通孔，另一个L型夹紧板4.1的立板上设置有与所述通孔对应的螺孔，所述夹紧螺栓4.2穿过所述通孔并拧入所述螺孔中。在L型夹紧板4.1的中间部位设有凹槽，将上述契块4.3镶嵌在所述凹槽中，且契块4.3表面略突出于所述凹槽，契块4.3的外露表面为锯齿面，以增加和试样之间的摩擦力,有利于试样夹持牢固。L型夹紧板4.1的底板端部设置有与上述V型卡爪3.5的V型槽匹配的凸起，L型夹紧板4.1通过底板端部的凸起安装在V型卡爪3.5的V型槽内。

又进一步地，上述的Stewart并联机构还包括静平台1.1、6个作动器1.2（第一作动器1.21、第二作动器1.22、第三作动器1.23、第四作动器1.24、第五作动器1.25和第六作动器1.26）、球铰1.3、力传感器1.4以及控制器，所述静平台1.1为正三角形，在所述静平台1.1的三个角上各设置有螺孔，6个作动器1.2的底端和顶端各设置有球铰1.3，所述作动器1.2的底端每两个为一组固定在所述静平台1.1的三个角上；6个作动器1.2的顶端各连接一力传感器1.4，6个力传感器1.4均匀分布、固定在移动平台1.5底面的同一圆周上，所述Stewart并联机构的静平台1.1固定在门式立架2的底座2.1上，所述的作动器1.2由液压缸构成，液压缸的油路转换阀连接到Stewart并联机构的控制器， Stewart并联机构在初始位置状态，6条所述作动器1.2的长度相等，所述移动平台1.5处于水平位置。

图1和图2所示的用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机为立式结构，将立式结构的用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机左旋转或右旋转90度可以使之成为卧式结构。立式结构或卧式结构的用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机的试样还包括：金属、非金属和其他高分子复合材料。

参见图1-图6，本发明一种上述用于碳纤维复合材料机械性能测试的多轴试验机的试验方法的实施例，包括如下步骤：

步骤一：将试件的两端分别置于上下两个试样夹头4的契块4.3之间，拧紧夹紧螺栓4.2将试件夹牢牢地固定住，并将应变片粘接在两个试样夹头4之间未被夹住的试件上。

步骤二：将Stewart并联机构1的位置调到初始位置：6条作动器1.2长度相等，保证移动平台1.5处于水平位置；然后，通过门式立架2上的调整螺柱2.5将T型移动架2.3的位置调高；把带有试件的一个试样夹头4安装到移动平台1.5上的对心夹紧装置3上，并通过转动手柄3.3，使滑块3.4向中间移动，将试样夹头4牢牢地固定在移动平台1.5上的对心夹紧装置3上。

步骤三：将T型移动架2.3向下调整到合适的位置，拧紧定位螺母2.6将T型移动架2.3固定；把带有试件的另一个试样夹头4安装到T型移动架2.3上的对心夹紧装置3上，并通过转动手柄3.3，将试样夹头4牢牢地固定住；然后，再次调整T型移动架2.3的高度，使试件处于基本拉直但未受拉力的状态。

步骤四：参见图6，将应变片的输出端连接到Stewart并联机构1的控制器，通过Stewart并联机构1的控制器对试件进行单轴或多轴加载。

例如：

通过控制第一作动器1.21、第二作动器1.22、第三作动器1.23、第四作动器1.24、第五作动器1.25和第六作动器1.26共同伸长或者缩短，实现对碳纤维复合材料试件的压缩或者拉伸；

控制第二作动器1.22、第三作动器1.23和第六作动器1.26伸长，并且控制第一作动器1.21、第四作动器1.24和第五作动器1.25适当缩短，使移动平台1.5水平转动，实现对试件施加扭转载荷；

控制第二作动器1.22和作动器1.25伸长，控制作动器1.21、作动器1.23、作动器1.24和第五作动器1.26适当缩短，其中第一作动器1.21和第六作动器1.26缩短长度相同，第三作动器1.23和第四作动器1.24缩短长度相同，并且第三作动器1.23和第四作动器1.24比第一作动器1.21和第六作动器1.26缩短的幅度稍大；通过控制上述六个作动器的长度变化，可以实现对试件的复合加载。

步骤五：根据6个力传感器1.4测得的数据，计算得出试件在试验过程中受到的载荷，根据应变测试模块得到试验过程中试件的应变。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。