本技術(shù)涉及復(fù)合材料的強(qiáng)度試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種用于復(fù)合材料的平面雙軸加載試驗(yàn)的夾持裝置和利用前述夾持裝置進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著各種先進(jìn)復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料在承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比例越來(lái)越大，使得復(fù)合材料承受的應(yīng)力狀態(tài)也越來(lái)越復(fù)雜，在諸多使用場(chǎng)景中承受著兩個(gè)方向的載荷。但是，現(xiàn)有的強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法大多僅關(guān)注單一載荷應(yīng)力下的材料失效，不足以全面評(píng)價(jià)材料的力學(xué)性能。因此，測(cè)試復(fù)合材料層壓板等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，對(duì)保證結(jié)構(gòu)件在使用或服役中的安全至關(guān)重要。

2、國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)材料的雙軸加載測(cè)試進(jìn)行了大量的研究工作，特別是對(duì)于金屬材料，其對(duì)應(yīng)的雙軸加載測(cè)試形成了行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但是，目前復(fù)合材料的雙軸加載測(cè)試暫無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且復(fù)合材料不同于金屬材料，其對(duì)于結(jié)構(gòu)特征較為敏感。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的平面雙軸加載試驗(yàn)測(cè)試與金屬件的平面雙軸加載試驗(yàn)明顯不同，由此造成金屬件平面雙軸加載試驗(yàn)中的夾持裝置不能被直接應(yīng)用于復(fù)合材料的平面雙軸加載試驗(yàn)中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，為了克服現(xiàn)有的用于金屬材料的平面雙軸加載試驗(yàn)的夾持裝置無(wú)法用于復(fù)合材料以進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的問(wèn)題，本技術(shù)提出了一種新的用于復(fù)合材料的平面雙軸加載試驗(yàn)的夾持裝置。

2、本技術(shù)是通過(guò)下述技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題的：

3、具體而言，根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)方面，提供了一種用于復(fù)合材料的平面雙軸加載試驗(yàn)的夾持裝置，其中，復(fù)合材料被制成呈正八邊形的試件，夾持裝置包括：

4、用于將試件固定地夾持在加載平面內(nèi)的夾持機(jī)構(gòu)，夾持機(jī)構(gòu)包括四對(duì)夾持臂，四對(duì)夾持臂彼此相互間隔開(kāi)地分別布置在試件的四條邊上；

5、十字形加強(qiáng)片，十字形加強(qiáng)片包括兩兩彼此沿相反方向延伸的四個(gè)腿部，這四個(gè)腿部分別朝試件的未設(shè)置夾持臂的邊延伸，并且十字形加強(qiáng)片的中央設(shè)置有通孔，

6、其中，夾持裝置還包括可拆卸地設(shè)置在每對(duì)夾持臂的相對(duì)表面上的第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板，每對(duì)夾持臂被構(gòu)造成能夠?qū)⒃嚰?、分別布置于試件的正反表面上的兩個(gè)十字形加強(qiáng)片和第一防失穩(wěn)壓板與第二防失穩(wěn)壓板夾持于其間。

7、本技術(shù)通過(guò)將復(fù)合材料試件設(shè)計(jì)為正八邊形，便于將夾持裝置的夾持臂和平面雙軸加載試驗(yàn)機(jī)的夾頭均勻地布置在試件的不同位置，從而保證夾頭將載荷均勻地施加于復(fù)合材料試件，避免因使用夾頭固定復(fù)合材料試件并加載而對(duì)施加于試件上的載荷產(chǎn)生干擾。

8、而且，通過(guò)中央設(shè)置有通孔的十字形加強(qiáng)片的設(shè)計(jì)，能夠讓載荷均勻、有效地傳遞到復(fù)合材料試件對(duì)應(yīng)通孔位置處的中心考核區(qū)域且中心考核區(qū)域中的雙軸應(yīng)力均勻，從而使得考核區(qū)域的應(yīng)力水平高于其它區(qū)域，以保證初始破壞發(fā)生在考核區(qū)。

9、此外，通過(guò)夾持裝置的夾持機(jī)構(gòu)以及第一防失穩(wěn)壓板與第二防失穩(wěn)壓板的布置，能夠?qū)⑵渖喜贾糜惺中渭訌?qiáng)板的試件固定地夾持在加載平面內(nèi)，以確保載荷最大效率且相對(duì)均勻地傳遞至試件上。

10、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板上分別形成有中央開(kāi)口，該中央開(kāi)口的中心軸線與十字形加強(qiáng)片的通孔的中心軸線同軸，并且第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板的分別與十字形加強(qiáng)片的表面接觸的表面上設(shè)置有圍繞中央開(kāi)口的滾珠，滾珠被設(shè)置成向外突出第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板的表面，從而在夾持試件時(shí)能夠抵壓十字形加強(qiáng)片。

11、通過(guò)在第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板靠近十字形加強(qiáng)片的表面上均設(shè)置向外突出的滾珠，能夠在試件的正反兩側(cè)利用滾珠抵壓十字形加強(qiáng)片而在試件的正反兩個(gè)表面同時(shí)施加簡(jiǎn)支約束，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試件的簡(jiǎn)支約束，由此保證試件在平面雙軸加載試驗(yàn)中受到拉伸、壓縮、拉壓疲勞、壓壓疲勞、拉拉疲勞等載荷時(shí)能夠得到防失穩(wěn)保護(hù)，以防止在試驗(yàn)過(guò)程中試件發(fā)生失穩(wěn)。

12、而且，將第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板的中央開(kāi)口設(shè)置成與十字形加強(qiáng)片的通孔的中心軸線同軸，并參考該中央開(kāi)口布置滾珠使得滾珠圍繞中央開(kāi)口，能夠?yàn)樵嚰峁┚鶆蚯揖獾暮?jiǎn)支約束。

13、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板的分別與十字形加強(qiáng)片接觸的表面上形成有環(huán)形軌道，環(huán)形軌道圍繞中央開(kāi)口設(shè)置且位于十字形加強(qiáng)片的通孔外側(cè)，而且滾珠設(shè)置于環(huán)形軌道中。

14、通過(guò)在第一防失穩(wěn)壓板上和第二防失穩(wěn)壓板上設(shè)置環(huán)形軌道并將滾珠設(shè)置于環(huán)形軌道，便于以低成本且易于制造的方式獲得為試件提供簡(jiǎn)支約束的第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板。而且，將環(huán)形軌道設(shè)置于十字形加強(qiáng)片的通孔的外側(cè)，能夠避免滾珠在擠壓十字形加強(qiáng)板時(shí)破壞試件的考核區(qū)。此外，環(huán)形軌道能夠限制滾珠運(yùn)動(dòng)的自由度，使得滾珠僅可在安裝位置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

15、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板的分別與十字形加強(qiáng)片接觸的表面上還形成有連通環(huán)形軌道和其外側(cè)任一邊緣的凹槽，從而使得能夠通過(guò)凹槽將滾珠引導(dǎo)推入環(huán)形軌道中。通過(guò)凹槽引導(dǎo)的方式將滾珠布置于環(huán)形軌道中，便于操作。

16、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，夾持裝置還包括鎖止滑塊，該鎖止滑塊被構(gòu)造成能夠被壓入凹槽中且移至環(huán)形軌道處以封閉環(huán)形軌道。通過(guò)將鎖止滑塊擠壓入凹槽以封閉環(huán)形軌道的方式，方便滾珠在環(huán)形軌道中的安裝定位以及鎖止滑塊閑置時(shí)的收納。

17、在防失穩(wěn)壓板閑置時(shí)，鎖止滑塊可放置收納于凹槽中，以避免丟失；準(zhǔn)備進(jìn)行復(fù)合材料的平面雙軸試驗(yàn)時(shí)，安裝夾持裝置前，自凹槽中取出鎖止滑塊，將滾珠通過(guò)凹槽依次推入環(huán)形軌道；在滾珠填滿環(huán)形軌道后，將鎖止滑塊擠壓進(jìn)凹槽中并將其一端推至環(huán)形軌道處，以鎖緊鎖止滑塊并封閉環(huán)形軌道，便于將滾珠限制在環(huán)形軌道中。而且，在滾珠產(chǎn)生一定磨損時(shí)，可以將鎖止滑塊再次取出，以便更換更換滾珠，將新的、未磨損的滾珠安裝于環(huán)形軌道中。

18、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板分別還包括沿試件設(shè)置夾持臂的邊的中心線方向向外延伸的四個(gè)耳部。通過(guò)四個(gè)耳部，能夠增大第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板與一對(duì)夾持臂的接觸面積，使得第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板分別與一對(duì)夾持臂牢固地接合。

19、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，夾持機(jī)構(gòu)還包括用于支撐四對(duì)夾持臂的四個(gè)立柱，其中，每對(duì)夾持臂中的一個(gè)夾持臂固定地安裝于立柱上，另一個(gè)夾持臂被構(gòu)造成能夠相對(duì)于固定的夾持臂沿立柱運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的另一夾持臂與固定的夾持臂之間的距離，能夠適應(yīng)不同厚度的試件以?shī)A持復(fù)合材料試件進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)。而且，通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的夾持臂，能夠適當(dāng)調(diào)節(jié)試件所在的平面，確保試件在施加載荷的平面內(nèi)。

20、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，試件的中央形成有圓形的沖擊損傷，并且用于引入沖擊損傷的夾具的中央開(kāi)設(shè)有圓形窗口。在試件的中心引入沖擊損傷，以滿足分析受到?jīng)_擊損傷的復(fù)合材料的平面雙軸加載試驗(yàn)的需求。為保證沖擊損傷合理、有效的引入，常常需要考慮沖擊損傷引入的夾具。由于試件的考核區(qū)域通常采用圓形設(shè)計(jì)，同時(shí)矩形沖擊開(kāi)口對(duì)試件的沖擊損傷會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中與損傷分布不均勻的影響，通過(guò)中央開(kāi)設(shè)有圓形窗口的夾具進(jìn)行試件的沖擊損傷引入，能夠使得沖擊損傷區(qū)域與試件考核區(qū)域保持一致，以避免沖擊損傷對(duì)試件的非考核區(qū)域造成大的影響。

21、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，十字形加強(qiáng)片的通孔為圓形，而且其直徑至少為沖擊損傷區(qū)域的直徑的2倍。通過(guò)設(shè)計(jì)十字形加強(qiáng)片的通孔與沖擊損傷區(qū)域的尺寸關(guān)系，能夠有效防止試驗(yàn)件加載過(guò)程中沖擊損傷的擴(kuò)展和試件邊緣的相互影響。

22、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，圓形窗口的直徑為十字形加強(qiáng)片的通孔的直徑的1.5倍。

23、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，平面雙軸試驗(yàn)機(jī)的夾頭布置在試件未設(shè)置夾持臂的邊上，并且?jiàn)A頭夾持的試件長(zhǎng)度大于或等于100mm。通過(guò)設(shè)置夾頭夾持試件的長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)，能夠充分夾持試件，從而保證夾頭將載荷有效地施加于試件上。同時(shí)，可觀察調(diào)節(jié)試件的位置、角度等，使試件的中心線與夾頭的中心線重合，從而確保來(lái)自?shī)A頭的載荷被施加在試件橫截面的慣性中心處。

24、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，每個(gè)腿部的寬度小于試件的單個(gè)邊的長(zhǎng)度。

25、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，每個(gè)腿部的寬度比試件的單個(gè)邊的長(zhǎng)度小10mm。設(shè)計(jì)腿部的寬度比試件的邊小，以避免試件邊緣處的應(yīng)力集中。

26、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，十字形加強(qiáng)片的四個(gè)腿部的側(cè)面在十字交叉處通過(guò)圓弧面過(guò)渡連接。通過(guò)該圓弧面過(guò)渡的十字形加強(qiáng)片，使得試驗(yàn)過(guò)程中試件在過(guò)渡圓弧處的應(yīng)力集中現(xiàn)象較弱，從而能夠滿足考核區(qū)域的應(yīng)力水平較高且均勻、同時(shí)考核區(qū)域外應(yīng)力較小的試驗(yàn)要求，從而更易實(shí)現(xiàn)試件考核區(qū)域的雙軸應(yīng)力狀態(tài)，由此保證初始破壞發(fā)生在試件考核區(qū)域中。

27、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，試件的正面和反面在對(duì)應(yīng)十字形加強(qiáng)片的通孔的位置處布置有應(yīng)變片。通過(guò)應(yīng)變片能夠獲得試件在加載過(guò)程中的應(yīng)變，由此獲得試件的失效情況。

28、根據(jù)本技術(shù)的另一方面，提供了利用前述任一實(shí)施方式中的夾持裝置進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的方法，該方法包括：

29、預(yù)熱平面雙軸加載試驗(yàn)機(jī)；

30、選取厚度與復(fù)合材料試件的厚度相匹配的夾頭，并將夾頭安裝在平面雙軸加載試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整夾頭的取向以使夾頭的中心線與平面雙軸加載試驗(yàn)機(jī)的加載軸線同軸；

31、將兩個(gè)十字形加強(qiáng)片分別布置在試件的正反表面上，并且使每個(gè)十字形加強(qiáng)片的四個(gè)腿部分別朝試件的彼此相互隔開(kāi)的四條邊延伸，再將試件和布置在試件的正反表面上的十字形加強(qiáng)片的腿部放置于夾頭的容納空間中；

32、將夾持機(jī)構(gòu)的四對(duì)夾持臂彼此相互間隔開(kāi)地分別布置在試件的未布置有十字形加強(qiáng)片的腿部的邊上，并通過(guò)緊固件將第一防失穩(wěn)壓板和第二防失穩(wěn)壓板分別安裝在每對(duì)夾持臂的相對(duì)表面上，通過(guò)每對(duì)夾持臂將試件、分別布置于試件的正反表面上的兩個(gè)十字形加強(qiáng)片夾持在第一防失穩(wěn)壓板與第二防失穩(wěn)壓板之間，使試件對(duì)應(yīng)夾頭的邊的中心線與夾頭的中心線同軸；以及

33、使試件上的應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀電連接，以收集在向試件加載時(shí)來(lái)自試件上的應(yīng)變片的值。

34、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，利用夾持裝置進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的方法還包括在試件上形成劃線，將夾頭按照劃線的位置布置在試件的未布置有十字形加強(qiáng)片腿部的邊上。

35、通過(guò)該利用夾持裝置進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的方法能夠保證試件在試驗(yàn)過(guò)程中考核區(qū)域受力均勻且考核區(qū)域外應(yīng)力集中小，試件在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)、失效模式結(jié)果也符合預(yù)期。

36、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，利用夾持裝置進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的方法還包括通過(guò)平面雙軸加載試驗(yàn)機(jī)向試件施加平面雙軸載荷，記錄來(lái)自設(shè)置在試件的正反表面上的應(yīng)變片的試件應(yīng)力應(yīng)變值，并根據(jù)分別在試件的正反表面上的兩個(gè)應(yīng)變片的試件應(yīng)力應(yīng)變值之間的差值與累加值之間的比值計(jì)算試件的彎曲百分比。通過(guò)分析預(yù)加載階段試件的彎曲百分比，能夠判斷試件的夾持位置是否正確，以便及時(shí)對(duì)試件進(jìn)行對(duì)中調(diào)試。

37、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式，利用夾持裝置進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的方法還包括根據(jù)計(jì)算得到的彎曲百分比確定試件相對(duì)于平面雙軸加載試驗(yàn)機(jī)的位置是否正確；以及當(dāng)確定試件的位置不正確時(shí)，進(jìn)一步相對(duì)于第一防失穩(wěn)壓板調(diào)節(jié)第二防失穩(wěn)壓板的位置，從而確保試件對(duì)應(yīng)夾頭的邊的中心線與夾頭的中心線同軸。

38、根據(jù)本技術(shù)的一種實(shí)施方式利用夾持裝置進(jìn)行平面雙軸加載試驗(yàn)的方法還包括將平面雙軸加載試驗(yàn)機(jī)的施加雙軸載荷按照預(yù)定的載荷比同步逐級(jí)地加載到試件上，并記錄每一次加載試驗(yàn)的載荷歷程、試件上的破壞位置和失效模式，從而獲得對(duì)應(yīng)失效模式下的試件的雙軸失效載荷。

39、在符合本領(lǐng)域常識(shí)的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本技術(shù)各較佳實(shí)例。

40、根據(jù)本技術(shù)上述實(shí)施方式的用于復(fù)合材料的平面雙軸試驗(yàn)的夾持裝置所能實(shí)現(xiàn)的有益技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)在于：

41、通過(guò)復(fù)合材料試件的正八邊形設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒃嚰A持在加載平面上，以確保雙軸載荷被均勻且有效地施加于試件上。通過(guò)十字形加強(qiáng)片的形狀設(shè)計(jì)和位置布置，能夠有效地將載荷傳遞到試件的中心考核區(qū)域，以保證試件在考核區(qū)域所受到的雙軸載荷均勻且較大，而在其它區(qū)域所產(chǎn)生的應(yīng)力集中較小，使得考核區(qū)域的應(yīng)力水平明顯高于其它區(qū)域，由此保證初始破壞發(fā)生在考核區(qū)域中。同時(shí)，通過(guò)防失穩(wěn)壓板設(shè)計(jì)，能夠在加載的同時(shí)施加簡(jiǎn)支約束于試件的正反表面上，從而保證試件在平面雙軸加載試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。同時(shí)，在試件的中心引入沖擊損傷，以便進(jìn)行考慮沖擊損傷的復(fù)合材料的平面雙軸加載試驗(yàn)。