CN103454151A - 压剪复合加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供压剪复合加载试验装置，其包括长度可伸缩的上、下横梁、位置可调节地固定于横梁上的加载头、四块试件补强板、八个连杆，其中，试件的四边相对八个连杆轴对称。该试验装置能够连续调节压剪比、降低对试件的尺寸要求、设计轻量化，并对液压作动系统的适应性加强。

Description

压剪复合加载试验装置

技术领域

本发明涉及航空复合材料结构力学试验装置，更具体地涉及一种压剪复合加载试验装置。

背景技术

复合材料广泛用于航空领域，对促进结构的轻量化、整体化和高性能化起到了很大的作用。但是复合材料制造的离散型和计算分析经典理论不完善性决定了复合材料结构设计要以试验为基础。一些标准的试验已经有了相关的ASTM标准，但是非标的试验还需要研究和积累。对于复合材料的零件来说，承拉能力远大于承压，承压会出现屈曲和压损等问题。另外，对于复合材料长桁加筋壁板结构来说，很少仅仅是单轴的压缩，一般长桁的压缩与蒙皮剪切都是共存的。单轴的压缩国内的科研院所都有一定的试验基础，但是压剪复合的试验还没有根本的突破。

国内的大学、科研机构和工程设计单位对压剪复合加载技术进行了一定研究，并且开发出适用于某些特定对象压剪复合力学测试的装置:如针对胶结界面的压缩剪切性能测试装置、对矩形板压缩剪切性能测试装置、对复合材料层板的压缩剪切性能测试。

这些装置大多通过机械方法，利用杠杆原理，对矩形或狭长带形试片进行对角线加载以模拟剪力，并且同时在轴向进行加载，如由汪勇等发明人提出的发明名称为“拉剪压剪复合加载试验装置”的中国专利申请公开说明书CN1670503A。此种思路是科学的和简洁的。然而，现今了解到的此类装置在适用上仍存在局限性，如不能调节或很有限地调节压剪比、只能针对特定尺寸的试件进行试验、对试验件精度要求较高且不容易满足、结构过重而使装夹变得困难等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种新型的压剪复合加载试验装置，其能够方便有效地调节压剪比、降低了对试件的尺寸要求、设计轻量化从而减少了整个装置的重量、且不必使用液压作动系统进行加载，提高了装置的适应性，大大减少了成本。

为此，根据本发明的一个方面，提供一种压剪复合加载试验装置，其中，包括:

上、下横梁，其分别为长度可伸缩结构;

两个加载头，其分别位置可调节地固定于所述上、下横梁上;

四块补强板，其包括左、右侧接补强板和上、下端接补强板，其中，

左、右侧接补强板分别从矩形的试件的左右两侧在铰接点处连接于其上;

上、下端接补强板分别从试件的上下两端在铰接点处连接于其上;

八个连杆，其为长度可伸缩结构包括一对侧接上连杆、一对端接上连杆、一对侧接下连杆和一对端接下连杆，每个连杆都为长度可伸缩结构，其中，

一对侧接上连杆的上端分别从上横梁的左端的两侧枢接于其上，下端分别从左侧接补强板的两侧枢接于其上;

一对端接上连杆的上端分别从上横梁的右端的两侧枢接于其上，下端分别从下端接补强板的两侧枢接于其上;

一对侧接下连杆的下端分别从下横梁的右端的两侧枢接于其上，上端分别从右侧接补强板的两侧枢接于其上;

一对端接下连杆的下端分别从下横梁的左端的两侧枢接于其上，上端分别从上端接补强板的两侧枢接于其上。

在本发明的该方面，由于加载头在横梁上的位置可调节，因而压剪比可以进行连续调节;在横梁承受主要弯矩的情况下，四个连杆主要承受轴拉，因而设计可以轻量化，从而减少了整个装置的重量;该试验装置能在普通力学试验机上进行，不必一定使用液压作动系统，避免了试验机承受侧向载荷，提高了适应性，大大减少了成本;由于横梁和连杆都为可变长度的伸缩结构，装置对于不同人寸的试验件具有通用性，并且能较好包容试验件的制造误差。

优选地，每个加载头包括套设于相应的所述横梁上的框型滑块和位于框型滑块上并垂直于相应的横梁且远离试件延伸的加载圆棒，加载圆棒适于配合试验机的液压夹头。加载头能在横梁上连续滑动，故压剪比可以通过调节x、y长度之比连续调节。

优选地，框型滑块的一侧上设置有第一销孔，上、下加载头分别通过穿过第一销孔而抵接上、下横梁的第一限位销而相对上、下横梁止动。有了第一限位销和第一销孔的配合，当调整好加载头在横梁上的位置时，可以有效地将加载头固定在横梁上。

优选地，上、下横梁中的每一个都包括带有中心滑孔的主横梁和带有与中心滑孔配合的滑杆的副横梁，主横梁上还设有第二销孔，通过穿过第二销孔并抵接滑杆的第二限位销而使主横梁相对副横梁止动。通过这种结构，上下横梁都可根据实际需要进行长度伸缩并在调整好长度后将主横梁和副横梁彼此固定。

优选地，主横梁和副横梁每一个的末端都设置有贯穿其两侧的第三销孔，在每个连杆的一端都设置有贯穿其两侧的第四销孔，第三连接销穿过对应的第三销孔和第四销孔。这些结构有利于横梁和连杆通过连接销的连接和固定。

优选地，每个连杆都包括带有中心螺纹孔的主连杆和带有与中心螺纹孔螺接的螺纹的副连杆。通过这种结构，每个连杆都可容易且有效地进行长度伸缩调节，以适用实际应用。

优选地，主连杆的远离副连杆的一端被锪平并设置有贯穿其两侧的第四销孔。

优选地，副连杆的远离主连杆的一端被锪平并设置有贯穿其两侧的第五销孔，上述补强板上设置有第六销孔，第四连接销贯穿第五销孔和第六销孔而将副连杆连接至这些补强板。这些结构有利于连杆和补强板通过连接销的连接和固定。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件:

图1是根据本发明的优选实施方式的压剪复合加载试验装置的示意图;

图2是图1所示压剪复合加载试验装置的加载力学分析示意图;

图3是图1所示压剪复合加载试验装置的安装有加载头的可变长度上横梁的示意图;

图4是图3所示安装有加载头的可变长度横梁的后视图;

图5是图1所示压剪复合加载试验装置的可变长度连杆的结构示意图;

图6是图5所示可变长度连杆的主视图;

图7是图6所示可变长度连杆的分解图。

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

应当注意到，在本文中，用于解释所揭露实施方式的各个部分的结构和动作的方向表示，诸如上、下、左、右，等等，并不是绝对的，而是相对的。当所揭露实施方式的各个部分位于图中所示位置时，这些表示是合适的。如果所揭露实施方式的位置或参照系改变，这些表示也要根据所揭露实施方式的位置或参照系的改变而发生改变。

该发明基于某复合材料加筋壁板的选型试验中遇到的压缩剪切复合加载工况的背景，设计了一种能够广泛应用于该类试验的压剪复合加载装置。该装置原理明确，结构简洁，效率高，成本低，适应性强，能用于金属或复合材料制成的壁板类、面板类、块体材料或结构的压剪试验。该装置可以通过杠杆原理和滑块设计，调节加载点的位置，从而实现压剪比的连续调节。通过连杆的变长度调节和衡量的变长度调节，可以适应不同大小的试验件。

图1示出了根据本发明优选实施方式的压剪复合加载试验装置。参见图1并结合图2所示，该试验装置包括上横梁10、下横梁12、两个加载头20、四块补强板和八个连杆。

上横梁10和下横梁12分别为长度可伸缩结构。两个载头20分别位置可调节地固定于上横梁10和下横梁12上。

四块补强板包括左侧接补强板30、右侧接补强板32和上端接补强板34、下端接补强板36，其中，左侧接补强板30和右侧接补强板32分别从试件1的左右两侧在铰接点201、202处连接于其上;上端接补强板34和下端接补强板36分别从试件1的上下两端在铰接点204、206处连接于其上。

八个连杆包括一对侧接上连杆40、一对端接上连杆42、一对侧接下连杆44和一对端接下连杆46，每个连杆都为长度可伸缩结构，其中，一对侧接上连杆40的上端分别从上横梁10的左端的两侧枢接于其上，下端分别从左侧接补强板30的两侧枢接于其上;一对端接上连杆42的上端分别从上横梁10的右端的两侧枢接于其上，下端分别从下端接补强板36的两侧枢接于其上;一对侧接下连杆44的下端分别从下横梁12的右端的两侧枢接于其上，上端分别从右侧接补强板32的两侧枢接于其上;一对端接下连杆46的下端分别从下横梁12的左端的两侧枢接于其上，上端分别从上端接补强板34的两侧枢接于其上。

图3、图4示出了带有加载头20的上横梁10。如图3所示并结合图4，上横梁10包括主横梁110和副横梁130。主横梁110上具有中心滑孔111，副横梁130具有与中心滑孔111配合的滑杆131。主横梁110上还设有第二销孔113，通过穿过第二销孔并抵接滑杆131的第二限位销(图未示)，可使主横梁110相对副横梁130止动。这样，整个上横梁的长度即确定了。如果需要调整上横梁的长度，则可通过将滑杆131从中心滑孔111中拉出或进一步缩进中心滑孔来实现。在本实施方式中，下横梁12与上横梁10在结构上完全相同，因而在此不再赘述。

再如图3所示并接合图5，主横梁110和副横梁130每一个的末端都设置有贯穿其两侧的第三销孔105，在每个连杆的一端都设置有贯穿其两侧的第四销孔413，第三连接销(图未示)穿过对应的第三销孔和第四销孔，从而将横梁和连杆连接在一起。

图5至图7示出了一个侧接上连杆40。如图5所示，并参见图6和图7，侧接上连杆40包括带有中心螺纹孔411的主连杆410和带有与中心螺纹孔411螺接的螺纹431的副连杆430。主连杆410的远离副连杆430的一端(图中左端)被锪平，并设置有贯穿其两侧的上述第四销孔413。在副连杆430的远离主连杆410的一端被锪平，并设置有贯穿其两侧的第五销孔433，与该侧接上连杆40对应的左侧接补强板30上设置有第六销孔(图未示)，第四连接销(图未示)贯穿该第五销孔和第六销孔，从而将副连杆430连接至左侧接补强板30。在本实施方式中，八个连杆中的每一个的结构都和侧接上连杆40完全相同。然而，应当理解的是，八个连杆的长度可根据其实际应用而分别进行长度伸缩调节。

回过头来再参见图3和图4，这两个图中示出了位于上横梁10上的加载头20，其包括框型滑块210和加载圆棒230。其中，框型滑块210套设于上横梁10上;加载圆棒230位于框型滑块210上并垂直于上横梁10且远离试件1延伸。加载圆棒230适于配合试验机的液压夹头。如图4所示，框型滑块210的一侧上设置有第一销孔211，加载头20通过穿过第一销孔211而抵接上横梁10的第一限位销而相对上横梁10止动。应当理解的是，当加载头20套装到下横梁12上时，其加载圆棒230是朝下的，即也是位于框型滑块210上并垂直于上横梁10且远离试件1延伸。应当理解的是，该加载圆棒230的结构形式不限于本实施方式的圆棒形式，其可以根据实际情况作出灵活变化。

本实施方式中试验装置是通过机械方法实现对试件1的压剪复合加载和变压剪比的。通过横梁和连杆的组合构成的杠杆机构分配载荷，并施加到矩形试件1的长宽边上，通过试件1的倾斜角度将力分配为轴压力和剪切力。

再次参见图2，当试验机施加拉伸载荷P时，拉力通过上面的加载头20传至上横梁10，通过下面的加载头20传至下横梁12;每个横梁相当于杠杆，加载头相当于支点，左右力臂的长度分别为y、x;故其中一部分力Py/(x+y)通过较长的连杆传至试件长度方向的两端。将加载轴线上的力Py/(x+y)正交分解为轴向压力PL和横向剪力ST;另一部分力Px/(x+y)作用在宽度方向的两端。将其正交分解为横轴向压力PT和纵向剪力SL。

由几何关系： $\left\{\begin{array}{c}y=\frac{1}{2}W\cos \mathrm{\α}\\ x=\frac{1}{2}L\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.$ α为试件沿竖直方向的偏离角

$\mathrm{PT}=\frac{x}{x+y}P\sin \mathrm{\α}=\frac{{2x}^2}{x+y}\·\frac{P}{L}$

$\mathrm{PL}=\frac{y}{x+y}P\cos \mathrm{\α}=\frac{{2y}^2}{x+y}\·\frac{P}{W}$

$\mathrm{ST}=\frac{y}{x+y}P\sin \mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{xy}}{x+y}\·\frac{P}{L}$

$\mathrm{SL}=\frac{x}{x+y}P\cos \mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{xy}}{x+y}\·\frac{P}{W}$ 剪流 $\mathrm{qT}=\mathrm{qL}=\frac{2\mathrm{xy}}{x+y}\·\frac{P}{\mathrm{LW}}$

式中，q代表剪流，T代表剪流方向，L为试件1的长度，W为试件1的宽度。

故简化为一个纯剪切加上一个双向轴压，故：

压剪比(横向) $\mathrm{iT}=\frac{\mathrm{PL}}{\mathrm{ST}}=\frac{y}{x}\·\frac{L}{W}$

压剪比(纵向) $\mathrm{iL}=\frac{\mathrm{PT}}{\mathrm{SL}}=\frac{x}{y}\·\frac{W}{L}$

故当试件长宽比确定的条件下，压剪比只取决于杠杆的力臂长度之比。

如果偏离角α很小，sinα则趋近于0，则横向轴压力PT趋近于0，可以近似认为是单向轴压。这一点从压剪比也可得出:W＜L，x＜y，则iL很小。所以试件越长，纵向压剪比越大，越趋近于单向轴压。

本发明的优点在于:

1)加载头能在横梁上连续滑动，故压剪比可以通过调节x、y长度之比连续调节，优于专利申请CN1670503A的几个分立孔的非连续调节;

2)该试验装置中只需要将杠杆横梁设计得刚度足够大，其承受主要弯矩;四个连杆主要承受轴拉，设计可以轻量化，从而减少了整个装置的重量;

3)该试验装置能在普通力学试验机上进行，不需要液压作动系统，避兔了试验机承受侧向载荷，比前述专利申请中的方案提高了适应性，大大减少了成本;

4)由于可变长度的衡量和连杆，装置对于不同尺寸的试验件具有通用性，并且能较好包容试验件的制造误差。

下面简单介绍一下本实施方式的试验装置的使用操作过程:

1)试验时先将矩形试件与四块补强板连接;

2)再通过调节横梁长度和连杆长度，使得试件四边通过补强板能够轴对称地与八个连杆连接，并保持上下横梁水平;并将连杆和横梁连接;

3)根据需要的加载比，按照公式计算出加载头两侧的力臂长度比，加载头滑动至正确的位置，并使用限位销或螺钉将其与横梁固定，防止其横向滑动;

4)选用合适的试验机夹头，夹住加载头上的加载圆棒;

6)调试好试验机，进行拉伸试验，则试验件承受压剪复合载荷。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (8)

1.一种压剪复合加载试验装置，其特征在于，包括:

上、下横梁(10，12)，其分别为长度可伸缩结构;

两个加载头(20)，其分别位置可调节地固定于所述上、下水平横梁(10，12)上;

四块补强板，其包括左、右侧接补强板(30，32)和上、下端接补强板(34，36)，其中，

所述左、右侧接补强板(30，32)分别从矩形试件(1)的左右两侧在铰接点(201，202)处连接于其上;

所述上、下端接补强板(34，36)分别从所述试件(1)的上下两端在铰接点(204，206)处连接于其上;

八个连杆，其包括一对侧接上连杆(40)、一对端接上连杆(42)、一对侧接下连杆(44)和一对端接下连杆(46)，每个连杆都为长度可伸缩结构，其中，

所述一对侧接上连杆(40)的上端分别从所述上横梁(10)的左端的两侧枢接于其上，下端分别从所述左侧接补强板(30)的两侧枢接于其上;

所述一对端接上连杆(42)的上端分别从所述上横梁(10)的右端的两侧枢接于其上，下端分别从所述下端接补强板(36)的两侧枢接于其上;

所述一对侧接下连杆(44)的下端分别从所述下横梁(12)的右端的两侧枢接于其上，上端分别从所述右侧接补强板(32)的两侧枢接于其上;

所述一对端接下连杆(46)的下端分别从所述下横梁(12)的左端的两侧枢接于其上，上端分别从所述上端接补强板(34)的两侧枢接于其上;

其中，所述试件(1)的四边相对所述八个连杆轴对称。

2.如权利要求1所述的压剪复合加载试验装置，其特征在于，每个所述加载头(20)包括套设于对应的所述横梁上的框型滑块(210)和位于所述框型滑块(210)上并垂直于对应的所述横梁且远离所述试件(1)延伸的加载圆棒(230)，所述加载圆棒(230)适于配合试验机的液压夹头。

3.如权利要求2所述的压剪复合加载试验装置，其特征在于，所述框型滑块(210)的一侧上设置有第一销孔(211)，所述加载头(20)通过穿过所述第一销孔而抵接所述上、下横梁(10，12)的第一限位销而相对所述上、下横梁止动。

4.如权利要求1所述的压剪复合加载试验装置，其特征在于，所述上、下横梁(10，12)中的每一个都包括带有中心滑孔(111)的主横梁(110)和带有与所述中心滑孔配合的滑杆(131)的副横梁(130)，所述主横梁(110)上还设有第二销孔(113)，通过穿过所述第二销孔并抵接所述滑杆(131)的第二限位销而使所述主横梁(110)相对所述副横梁(130)止动。

5.如权利要求4所述的压剪复合加载试验装置，其特征在于，所述主横梁(110)和所述副横梁(130)每一个的末端都设置有贯穿其两侧的第三销孔(105)，在每个所述连杆的一端都设置有贯穿其两侧的第四销孔(413)，第三连接销穿过对应的所述第三销孔和所述第四销孔。

6.如权利要求5所述的压剪复合加载试验装置，其特征在于，每个所述连杆都包括带有中心螺纹孔(411)的主连杆(410)和带有与所述中心螺纹孔螺接的螺纹(431)的副连杆(430)。

7.如权利要求6所述的压剪复合加载试验装置，其特征在于，所述主连杆(410)的远离所述副连杆(430)的一端被锪平并设置有贯穿其两侧的所述第四销孔(413)。

8.如权利要求7所述的压剪复合加载试验装置，其特征在于，所述副连杆(430)的远离所述主连杆(410)的一端被锪平并设置有贯穿其两侧的第五销孔(433)，所述补强板上设置有第六销孔，第四连接销贯穿所述第五销孔和第六销孔而将所述副连杆连接至所述补强板。

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