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CN111999172B - 用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法 - Google Patents

用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法，该试验夹具的组件包括：安装部；连接部，沿其长度方向开设在连接部上的一组铆钉孔；紧固机构，其能够将安装部的一端和连接部的一端可拆卸地连接。其中，该对试验夹具组件中的连接部的形状和大小相同，并且其上开设的铆钉孔的位置彼此一致。在试验状态下，该对试验夹具组件的两个连接部至少部分地彼此叠置，以使得待试验的铆钉能够穿过两个连接部上的选定铆钉孔，从而使得试验夹具呈现中心对称的“Z”字形。根据本发明的用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法，能够便捷地应用于铆钉的复合加载试验，并且夹具构型简单、制造方便、有助于确保更高的试验精度。

Description

用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法
技术领域
本发明涉及针对铆钉在拉-剪复合受载状态下的力学特性的测量试验，尤其涉及一种用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法。
背景技术
铆钉连接的航空结构在鸟撞、坠撞等瞬态冲击载荷作用下，铆钉的受载往往不是简单的纯拉或纯剪状态，而是复杂的拉-剪复合受载状态。由于拉-剪复合受载状态的可变性，在针对铆钉在拉-剪复合受载状态下的力学特性进行测试时调整到不同的拉-剪复合受载状态和复合加载角，较为不便。
因此，亟需设计一种用于铆钉复合加载试验的专用试验夹具，以支持铆钉的拉-剪复合加载试验，使得铆钉的拉-剪复合加载试验得以更高效的方式进行，为铆钉的失效数值模拟提供实验支持。
为此，题为“一种多角度可调节的试样同时承受拉力与剪力的试验装置”的中国专利申请CN201711320296.5、题为“一种铆接接头力学性能测试装置”的中国专利申请CN201410089814.7、及题为“铆钉拉剪耦合动态力学性能试验夹具”的中国专利申请CN201710155336.9分别提出了一些可用于铆钉复合加载试验的试验家具。
然而，包括以上三篇专利文献在内的一些现有的用于铆钉复合加载试验的专用试验夹具，普遍存在以下明显缺陷：夹具构型复杂，夹具质量大，对于破坏载荷小的铆钉，夹具自身较大的惯性载荷会影响到试验精度。
因此，亟需提供一种新的用于铆钉复合加载试验的试验夹具。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的可用于铆钉复合加载试验的试验夹具，普遍存在构型复杂，因夹具质量大而不适合对破坏载荷小的铆钉进行试验，以及夹具自身较大的惯性载荷会影响到试验精度的缺陷，提出一种新的用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种用于铆钉复合加载试验的试验夹具，其特点在于，所述试验夹具包括一对试验夹具组件，每个所述试验夹具组件包括：
能够安装到试验设备上的安装部；
连接部，所述连接部沿其长度方向具有第一端和与所述第一端相对的第二端，以及在所述第一端和所述第二端之间开设在所述连接部上的一组铆钉孔；和
紧固机构，所述紧固机构被构造为能够将所述安装部的一端和所述连接部的第一端可拆卸地连接起来；
其中，该对试验夹具组件中的所述连接部的形状和大小相同，并且其上开设的所述铆钉孔的开设位置彼此一致，并且
其中，在试验状态下，该对试验夹具组件的所述两个安装部彼此相对且所述安装部的端面彼此平行，该对试验夹具组件的所述两个连接部至少部分地彼此叠置，以使得待试验的铆钉能够穿过所述两个连接部上的选定的铆钉孔而连接所述两个连接部，从而使得所述试验夹具呈现中心对称的“Z”字形，并且所述两个安装部上用于承受加载力的受力点与所述选定的铆钉孔处于同一条轴线上。
根据本发明的一种实施方式，所述安装部和所述连接部之间的夹角在预设夹角范围内可调节，所述预设夹角范围为0°-90°。
根据本发明的一种实施方式，所述安装部的一端和所述连接部的第一端分别具有相同的螺栓孔，所述紧固机构包括螺栓和螺母。
根据本发明的一种实施方式，所述安装部包括安装部主体和突出于所述安装部主体的加载力支承部，所述安装部主体的连接端和所述连接部的第一端经由所述紧固机构可拆卸地连接，所述加载力支承部位于所述安装部上用于承受加载力的所述受力点处。
根据本发明的一种实施方式，所述铆钉孔的开孔位置根据预设的多个复合加载测试角和以下公式(1)确定，
L＝d/cosα (1)，
公式(1)中，d为所述连接部的第一端和所述加载力支承部的间距，α为所述复合加载测试角，L为对应于所述复合加载测试角的开孔位置与所述连接部的第一端的间距。
根据本发明的一种实施方式，所述多个复合加载测试角均匀分布在所述预设夹角范围内。
根据本发明的一种实施方式，所述多个复合加载测试角包括：15°、30°、45°、60°和75°。
本发明还提供了一种用于铆钉复合加载试验的试验装置，其特点在于，所述试验装置包括如上所述的试验夹具，所述试验装置还包括：
位于其底部的固定安装座，所述固定安装座被构造为能够固定支撑所述试验夹具中位于下端的安装部，从而安装所述试验夹具；
位于其顶部的可动加载端部，所述可动加载端部被构造为能够压抵于所述试验夹具中位于上端的安装部，从而经由所述试验夹具向安装于所述试验夹具中的待试验的铆钉施加纵向的加载力；以及
加载装置，所述加载装置被构造为能够驱使所述可动加载端部下压并调节其下压力的大小。
根据本发明的一种实施方式，所述加载装置包括液压动力装置和液压杆，所述液压杆连接所述固定安装座和所述可动加载端部，并被构造为能够受所述液压动力装置的驱动而驱使所述可动加载端部下压。
本发明还提供了一种用于铆钉复合加载试验的试验方法，其特点在于，所述试验方法采用如上所述的试验夹具，所述试验方法包括：
确定待试验的铆钉的复合加载测试角；
根据确定的所述复合加载测试角从所述一系列铆钉孔中选定对应的铆钉孔，以中心对称的方式布置该对试验夹具组件并叠置所述连接部，使得所述试验夹具呈中心对称的“Z”字形，并以待试验的铆钉穿过彼此叠置的所述连接部上的选定的铆钉孔以固定连接该对试验夹具组件；
调节该对试验夹具组件的所述安装部和所述连接部的夹角并固定连接所述安装部和所述连接部，以使得两个所述安装部的端面彼此平行，并且所述两个安装部上用于承受加载力的受力点与所述选定的铆钉孔位于同一条轴线上；
向所述安装部施加方向垂直于其所述安装部的端面的加载力，以测试待试验的铆钉的力学特性。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的用于铆钉复合加载试验的试验夹具、装置及方法，能够便捷地应用于铆钉的复合加载试验，并且便于在试验中调整为不同的拉-剪复合加载角度进行测试，并且夹具构型简单、制造方便，能够尽可能减少夹具自身带来的因诸如惯性载荷、装配误差等因素造成的试验误差，从而能够确保更好的试验精度。
附图说明
图1为根据本发明的优选实施方式的用于铆钉复合加载试验的试验夹具处于试验状态下的示意图。
图2为根据本发明的优选实施方式的用于铆钉复合加载试验的试验夹具处于试验状态下的另一示意图。
图3为根据本发明的优选实施方式的用于铆钉复合加载试验的试验夹具中的单个连接部的示意图。
图4为实际连接结构中的铆钉处于拉-剪复合受载状态下的受力分解示意图。
图5为根据本发明的优选实施方式的用于铆钉复合加载试验的实验装置整体示意图。
附图标记说明
1：安装部 2：连接部
3：紧固机构 4：铆钉
11：安装部的端面 12：加载力支承部
21：铆钉孔 22：螺孔连接端
51：固定安装座 52：可动加载端部
6：实际连接结构 Z：轴线
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
参考图1-3所示，根据本发明的较佳实施方式的用于铆钉复合加载试验的试验夹具，该试验夹具包括一对试验夹具组件。
每个试验夹具组件包括能够安装到试验设备上的安装部1、连接部2和紧固机构3。其中，连接部2沿其长度方向具有第一端和与第一端相对的第二端，以及在第一端和第二端之间开设在连接部2上的一组铆钉孔21。紧固机构3被构造为能够将安装部1的一端和连接部2的第一端可拆卸地连接起来。
其中，该对试验夹具组件中的连接部2的形状和大小相同，并且其上开设的铆钉孔21的开设位置彼此一致。并且，参考图1-2所示，在试验状态下，该对试验夹具组件的两个安装部1彼此相对且安装部的端面11彼此平行，该对试验夹具组件的两个连接部2至少部分地彼此叠置，以使得待试验的铆钉4能够穿过两个连接部2上的选定的铆钉孔21而连接两个连接部2，从而使得试验夹具呈现中心对称的“Z”字形，并且两个安装部1上用于承受加载力的受力点与选定的铆钉孔21处于同一条轴线Z上。
其中，可选地，安装部1和连接部2之间的夹角在预设夹角范围内可调节，预设夹角范围为0°-90°。
根据本发明的一些优选实施方式，参考图3所示，连接部2的第一端可作为螺孔连接端22而具有螺栓孔，安装部1的一端和连接部2的第一端具有相同的螺栓孔。相应的，紧固机构3包括螺栓、螺母、垫圈，从而能够将连接部2和安装部1螺栓连接。
根据本发明的一些优选实施方式，安装部1可包括安装部1主体和突出于安装部1主体的加载力支承部12，安装部1主体的连接端和连接部2的第一端经由紧固机构3可拆卸地连接，加载力支承部12位于安装部1上用于承受加载力的受力点处。
根据本发明的一些优选实施方式，在连接部2上，铆钉孔21的开孔位置根据预设的多个复合加载测试角和以下公式(1)确定，
L＝d/cosα (1)，
公式(1)中，d为连接部2的第一端(即连接端，例如如图3所示的螺孔连接端22)和加载力支承部12或者安装部1上用于承受加载力的受力点之间的间距，α为复合加载测试角，L为对应于复合加载测试角的开孔位置与连接部2的第一端(即连接端)的间距。
以下结合如图4所示的实际连接结构中的铆钉的复合受力分解示意图，对如上试验夹具的设计理念做进一步阐述。如图1所示，两块彼此贴合的实际连接结构6仅经由铆钉4连接。当铆钉4连接的这一实际连接结构6受到外力P的冲击作用时，铆钉在连接结构的分界面上受到的外力P分解为轴向拉伸力PT和面内剪切力PS，此时铆钉4的受力分解图如图4所示。轴向拉伸力和面内剪切力表达式分别如下式(1)和下式(2)所示：
PT＝Pcosα (1)
PS＝Psinα (2)
根据不同角度下的PT和PS，可以拟合出铆钉的失效方程。
参照图1、2、4所示，可以理解的是，在试验状态下，该对试验夹具组件的两个连接部2至少部分地彼此叠置，以使得待试验的铆钉4能够穿过两个连接部2上的选定的铆钉孔21而连接两个连接部2，此时构成的试验结构如果承受的外力是沿图2中轴线Z的方向，则对待试验的铆钉4而言该试验状态几乎完全地复制了如图4所示的实际连接结构中的铆钉4所承受的复合外力的状态，图2和图4中的角度α彼此等价。而该试验状态下，沿轴线Z方向施加的外力是易于控制的，因为该施力方向将垂直于整体“Z”字形结构中彼此平行且相对的两个安装部的端面11。
根据本发明的一些优选实施方式，多个复合加载测试角均匀分布在预设夹角范围内。例如，优选地，多个复合加载测试角包括15°、30°、45°、60°和75°。这样设计的夹具将适于支持极为便捷地对复合加载测试角分别为15°、30°、45°、60°及75°的情形五个角度的情形执行复合加载破坏试验。如果根据实际需要的其他一系列测试角，对连接部2上的开孔位置进行调整，显然也将是十分便捷的。
根据本发明的一些优选实施方式还提供了包括如上的试验夹具的试验装置。
参考图5所示，该试验装置包括位于其底部的固定安装座51、位于其顶部的可动加载端部52和可动加载端部52。其中，固定安装座51被构造为能够固定支撑试验夹具中位于下端的安装部1，从而安装试验夹具。可动加载端部52被构造为能够压抵于试验夹具中位于上端的安装部1，从而经由试验夹具向安装于试验夹具中的待试验的铆钉4施加纵向的加载力。加载装置被构造为能够驱使可动加载端部52下压并调节其下压力的大小。
优选地，加载装置包括液压动力装置和液压杆，液压杆连接固定安装座51和可动加载端部52，并被构造为能够受液压动力装置的驱动而驱使可动加载端部52下压。
根据本发明的一些优选实施方式还提供了一种用于铆钉复合加载试验的试验方法，该试验方法采用如上的试验夹具，试验方法包括：
确定待试验的铆钉4的复合加载测试角；
根据确定的复合加载测试角从一系列铆钉孔21中选定对应的铆钉孔21，以中心对称的方式布置该对试验夹具组件并叠置连接部2，使得试验夹具呈中心对称的“Z”字形，并以待试验的铆钉4穿过彼此叠置的连接部2上的选定的铆钉孔21以固定连接该对试验夹具组件；
调节该对试验夹具组件的安装部1和连接部2的夹角并固定连接安装部1和连接部2，以使得两个安装部的端面11彼此平行，并且两个安装部1上用于承受加载力的受力点与选定的铆钉孔21位于同一条轴线上；
向安装部1施加方向垂直于其安装部的端面11的加载力，以测试待试验的铆钉4的力学特性。
如果在试验中，需要对不同的复合加载测试角进行测试，则只需相应地改变选定的铆钉孔21，并依据上述方法进行同样的布置以使得试验夹具整体形成呈中心对称的“Z”字形，即可再次进行测试，测试效率极高。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于铆钉复合加载试验的试验夹具，其特征在于，所述试验夹具包括一对试验夹具组件，每个所述试验夹具组件包括：
能够安装到试验设备上的安装部；
连接部，所述连接部沿其长度方向具有第一端和与所述第一端相对的第二端，以及在所述第一端和所述第二端之间开设在所述连接部上的一组铆钉孔；和
紧固机构，所述紧固机构被构造为能够将所述安装部的一端和所述连接部的第一端可拆卸地连接起来；
其中，该对试验夹具组件中的所述连接部的形状和大小相同，并且其上开设的所述铆钉孔的开设位置彼此一致，并且
其中，在试验状态下，该对试验夹具组件的所述两个安装部彼此相对且所述安装部的端面彼此平行，该对试验夹具组件的所述两个连接部至少部分地彼此叠置，以使得待试验的铆钉能够穿过所述两个连接部上的选定的铆钉孔而连接所述两个连接部，从而使得所述试验夹具呈现中心对称的“Z”字形，并且所述两个安装部上用于承受加载力的受力点与所述选定的铆钉孔处于同一条轴线上。
2.如权利要求1所述的试验夹具，其特征在于，所述安装部和所述连接部之间的夹角在预设夹角范围内可调节，所述预设夹角范围为0°-90°。
3.如权利要求1所述的试验夹具，其特征在于，所述安装部的一端和所述连接部的第一端分别具有相同的螺栓孔，所述紧固机构包括螺栓和螺母。
4.如权利要求2所述的试验夹具，其特征在于，所述安装部包括安装部主体和突出于所述安装部主体的加载力支承部，所述安装部主体的连接端和所述连接部的第一端经由所述紧固机构可拆卸地连接，所述加载力支承部位于所述安装部上用于承受加载力的所述受力点处。
5.如权利要求4所述的试验夹具，其特征在于，所述铆钉孔的开孔位置根据预设的多个复合加载测试角和以下公式(1)确定，
L＝d/cosα (1)，
公式(1)中，d为所述连接部的第一端和所述加载力支承部的间距，α为所述复合加载测试角，L为对应于所述复合加载测试角的开孔位置与所述连接部的第一端的间距。
6.如权利要求5所述的试验夹具，其特征在于，所述多个复合加载测试角均匀分布在所述预设夹角范围内。
7.如权利要求6所述的试验夹具，其特征在于，所述多个复合加载测试角包括15°、30°、45°、60°和75°。
8.一种用于铆钉复合加载试验的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括如权利要求1-7中任意一项所述的试验夹具，所述试验装置还包括：
位于其底部的固定安装座，所述固定安装座被构造为能够固定支撑所述试验夹具中位于下端的安装部，从而安装所述试验夹具；
位于其顶部的可动加载端部，所述可动加载端部被构造为能够压抵于所述试验夹具中位于上端的安装部，从而经由所述试验夹具向安装于所述试验夹具中的待试验的铆钉施加纵向的加载力；以及
加载装置，所述加载装置被构造为能够驱使所述可动加载端部下压并调节其下压力的大小。
9.如权利要求8所述的试验装置，其特征在于，所述加载装置包括液压动力装置和液压杆，所述液压杆连接所述固定安装座和所述可动加载端部，并被构造为能够受所述液压动力装置的驱动而驱使所述可动加载端部下压。
10.一种用于铆钉复合加载试验的试验方法，其特征在于，所述试验方法采用如权利要求1-7中任意一项所述的试验夹具，所述试验方法包括：
确定待试验的铆钉的复合加载测试角；
根据确定的所述复合加载测试角从所述一系列铆钉孔中选定对应的铆钉孔，以中心对称的方式布置该对试验夹具组件并叠置所述连接部，使得所述试验夹具呈中心对称的“Z”字形，并以待试验的铆钉穿过彼此叠置的所述连接部上的选定的铆钉孔以固定连接该对试验夹具组件；
调节该对试验夹具组件的所述安装部和所述连接部的夹角并固定连接所述安装部和所述连接部，以使得两个所述安装部的端面彼此平行，并且所述两个安装部上用于承受加载力的受力点与所述选定的铆钉孔位于同一条轴线上；
向所述安装部施加方向垂直于其所述安装部的端面的加载力，以测试待试验的铆钉的力学特性。
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