一种复合材料层间剪切试验夹具

摘要

本发明公开一种复合材料层间剪切试验夹具，包括底座、两个支座和加载头；所述底座上包括滑槽，所述两个支座固定在所述滑槽中，所述两个支座可在所述滑槽中滑动，所述两个支座高度相同，每个支座的顶面均为弧面，每个支座的顶面的长度大于可使用所述装置进行试验的试样的最大宽度，每个支座的顶面包括至少一个定位销，所述定位销可在所述支座顶面长度方向上滑动，每个支座上还包括用于固定所述定位销的紧固件；所述加载头的顶面为弧面，本发明提供的复合材料层间剪切试验装置，能够提高复合材料层间剪切试验的精度。

权利要求

1.一种复合材料层间剪切试验夹具，其特征在于：包括底座(31)、两个支座(32)和加载头(33)；

所述底座(31)开设有滑槽(34)，两个支座(32)固定在滑槽(34)中，两个支座(32)长度方向与滑槽(34)方向垂直，两个支座(32)能在所述滑槽(34)中滑动，所述支座(32)的顶面均为弧面，支座(32)顶面长度大于试验试样的最大宽度，每个支座(32)的顶面包括至少一个定位销(35)，定位销(35)能在所述支座(32)的顶面长度方向上滑动，每个支座(32)上还包括用于固定所述定位销(35)的紧固件(36)；所述加载头(33)安装于两个支座(32)上方，加载头(33)顶面为弧面。

2.根据权利要求1所述的复合材料层间剪切试验夹具，其特征在于：所述定位销(35)呈U形，定位销(35)的一端插入支座端面的定位销孔中，定位销(35)的另一端位于所述支座(32)的顶面上方，所述支座(32)的至少一个侧面包括紧固件孔，紧固件孔与定位销孔连通，用于固定定位销(35)的紧固件(36)穿过紧固件孔将定位销(35)固定在支座上。

3.根据权利要求1所述的复合材料层间剪切试验夹具，其特征在于：所述支座(32)底部还包括滑槽紧固件，所述滑槽紧固件包括滑槽紧固螺钉(51)和滑槽紧固螺母(52)，滑槽紧固螺母(52)位于滑槽(34)内部，滑槽紧固螺钉(51)穿过支座(32)与滑槽紧固螺母(52)连接，通过滑槽紧固螺钉(51)和滑槽紧固螺母(52)配合将支座(32)固定在滑槽(34)中。

4.根据权利要求1、2或3所述的复合材料层间剪切试验夹具，其特征在于：在底座(31)设置滑槽(34)相对一侧设置有底座连接件，底座(31)通过底座连接件固定在力学性能试验机上；

所述加载头(33)顶面的相对一侧设置有加载头连接件，加载头(33)通过加载头连接件固定在力学性能试验机上。

5.根据权利要求1、2或3所述的复合材料层间剪切试验夹具，其特征在于：所述支座(32)和所述加载头(33)使用硬度介于58HRC至62HRC之间的钢材制作。

6.根据权利要求1、2或3所述的复合材料层间剪切试验夹具，其特征在于：所述述滑槽紧固螺母(52)为正方形螺母。

说明书

一种复合材料层间剪切试验夹具

【技术领域】

[0001] 本发明涉及非金属检测技术，尤其涉及一种复合材料层间剪切试验夹具。【背景技术】

[0002] 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(或微观)上组成具有新性能的材料。其中，采用织物增强的复合材料层合板，由于其几何形状比较稳定，与单向纤维增强的层合板相比，其力学平衡性较好，面内异向性较小，且面内剪切强度较高。此外，它还具有加工简单，制造成本低等优点，显示出很好的应用前景。

[0003] 但是由于复合材料层合板的结构特点，导致其层间剪切强度较低。层间剪切强度是指复合材料层合板在纯剪切载荷作用下的强度极限，层间剪切强度是用于评估复合材料层合板的层间性能的重要指标。

[0004] 因此，对于复合材料层合板的层间剪切强度的试验，是合理使用复合材料层合板的重要步骤。在对复合材料层合板进行层间剪切强度试验时，需要对试验的试样施加载荷，当试样出现以下几种情况之一时，记录施加的载荷并通过计算得出该试样对应的复合材料层合板的剪切强度。上述几种情况包括：载荷下降达到30％、试样分层、加载头移动距离超过试样厚度。其中，在试样上施加的载荷需要位于试样的中心，并且确保在整个试验过程中试样受到的载荷一致，才能得到精确的试验结果。

[0005] 但是由于试样在试验过程中，可能产生位移，此时试样受到的载荷会偏离试样中心，或者试样在试验过程中，可能产生形变，此时试样受到的载荷会发生变化，从而可能使试验结果不够精确。【发明内容】

[0006] 针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提出了一种复合材料层间剪切试验夹具，保证试样在试验过程中始终位于两个支座中心、当试样在试验过程中发生形变时保证支座和加载头施加在试样上的力相同，用于提高复合材料层间剪切试验的精度。

[0007] 本发明是通过下述的技术方案实现的：

[0008] 一种复合材料层间剪切试验夹具，包括底座、两个支座和加载头；所述底座开设有滑槽，两个支座固定在滑槽中，两个支座长度方向与滑槽方向垂直，两个支座能在所述滑槽中滑动，所述支座的顶面均为弧面，支座顶面长度大于试验试样的最大宽度，每个支座的顶面包括至少一个定位销，定位销能在所述支座的顶面长度方向上滑动，每个支座上还包括用于固定所述定位销的紧固件；所述加载头安装于两个支座上方，加载头顶面为弧面。

[0009] 进一步，所述定位销呈U形，定位销的一端插入支座端面的定位销孔中，定位销的另一端位于所述支座的顶面上方，所述支座的至少一个侧面包括紧固件孔，紧固件孔与定位销孔连通，用于固定定位销的紧固件穿过紧固件孔将定位销固定在支座上。

[0010] 进一步，所述支座底部还包括滑槽紧固件，所述滑槽紧固件包括滑槽紧固螺钉和滑槽紧固螺母，滑槽紧固螺母位于滑槽内部，滑槽紧固螺钉穿过支座与滑槽紧固螺母连接，通过滑槽紧固螺钉和滑槽紧固螺母配合将支座固定在滑槽中。

[0011] 进一步，在底座设置滑槽相对一侧设置有底座连接件，底座通过底座连接件固定在力学性能试验机上；

[0012] 所述加载头顶面的相对一侧设置有加载头连接件，加载头通过加载头连接件固定在力学性能试验机上。

[0013] 进一步，所述支座和所述加载头使用硬度介于8HRC至HRC之间的钢材制作。

[0014] 进一步，所述述滑槽紧固螺母为正方形螺母。

[0015] 本发明提供的复合材料层间剪切试验装置，通过将两个支座设置在滑槽中，将每个支座和加载头的顶面制成弧面，并在每个支座的顶面设置至少一个定位销，使得该装置具有如下优点：可以同时适用于对多种尺寸的试样进行试验、保证试样在试验过程中始终位于两个支座中心、当试样在试验过程中发生形变时保证支座和加载头施加在试样上的力相同，从而使本实施例提供的复合材料层间剪切试验装置能够更有效率和更精确地完成复合材料层间剪切试验。【附图说明】

[0016] 图1为复合材料层合板示意图；

[0017] 图2为复合材料层合板进行层间剪切强度试验的示意图；

[0018] 图3A为本发明提供的复合材料层间剪切试验夹具实施例一的正视图；

[0019] 图3B为本发明提供的复合材料层间剪切试验夹具实施例一的侧视图；

[0020] 图4A为在对试样进行加载前的状态示意图；

[0021] 图4B为在对试样开始加载过程中的状态示意图；

[0022] 图5为本发明提供的复合材料层间剪切试验夹具实施例二的结构示意图；

[0023] 图中：底座31、支座32、加载头33、滑槽34、定位销35、紧固件36、试样41、滑槽紧固螺钉51、滑槽紧固螺母52。【具体实施方式】

[0024] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 图1为复合材料层合板示意图，在图1中，l为复合材料层合板的长度，h为复合材料层合板的厚度，b为复合材料层合板的宽度。

[0026] 在复合材料层合板上，从宽度方向上施加纯剪切载荷，当复合材料层合板发生分层、断裂、载荷明显下降等情况时，即认为复合材料层合板受到极限载荷。设复合材料层合板层间剪切强度为τ，单位为兆帕(MPa)；复合材料层合板受到的极限载荷为Pm，单位为牛(N)；复合材料层合板宽度为b，厚度为h，单位均为毫米(mm)。

[0027] 则可以根据如下公式计算复合材料层合板的层间剪切强度。

[0028]

[0029] 其中，在对复合材料层合板进行层间剪切强度试验时，复合材料层合板的长度l一般为厚度h的10倍，宽度b为厚度h的5倍。

[0030] 图2为复合材料层合板进行层间剪切强度试验的示意图，如图2所示，在对复合材料层合板进行层间剪切强度试验时，需要将试样两端放置在支座32上，试样的其中一面与支座32接触，调整试样在两支座32上居中，并使得试样的长度轴向垂直于加载头33和两侧的支座32。然后使用加载头33在试样的宽度方向的中心施加载荷。其中，两个支座32之间的跨度与试样厚度的跨厚比为4.9～5，试样长度方向上的每段都伸出支座32至少试样厚度的距离。

[0031] 开始试验时，以规定的速度使用加载头33对试样进行加载，持续加载直到发生以下情况之一：载荷下降30％、试样分层、加载头33移动距离超过试样的厚度。此时，记录试验过程中的最大载荷，并根据上述公式计算试样所代表的复合材料层合板的层间剪切强度。

[0032] 根据图2所示复合材料层合板进行层间剪切强度试验的示意图可知，在进行层间剪切强度试验时，需要将试样放置在两侧支座上居中的位置。而试样放置在支座上时，如何保证试样在支座上处于居中的位置，是进行层间剪切试验需要注意的问题。并且在使用加载头对试样施加载荷时，试样可能产生形变。而在试样产生形变时，支座和加载头与试样接触的点可能发生变化。从而导致施加在试样上的载荷压强发生变化。因此，在进行层间剪切试验时，能否解决上述问题，是确保试验准确性的关键因素。

[0033] 图3A为本发明提供的复合材料层间剪切试验装置实施例一的正视图，图3B为本发明提供的复合材料层间剪切试验装置实施例一的侧视图，如图3A和图3B所示，本实施例的复合材料层间剪切试验装置包括：底座31、两个支座32和加载头33。

[0034] 底座31上包括滑槽34，两个支座32固定在滑槽34中，两个支座32可在滑槽34中滑动，两个支座32高度相同，每个支座32的顶面均为弧面，每个支座32的顶面的长度大于可使用该装置进行试验的试样的最大宽度，每个支座32的顶面包括至少一个定位销35，定位销35可在支座32的顶面长度方向上滑动，每个支座32上还包括用于固定定位销35的紧固件
36，加载头33的顶面为弧面。

[0035] 具体地，在对试样进行层间剪切试验时，可能存在下述问题：第一是该试验的试样尺寸可能不同，试验装置需要能够适用于对多种尺寸的试样进行试验；其次是需要保证试样在试验过程中始终位于两个支座中心；另外，当试样在试验过程中发生形变，支座和加载头施加在试样上的力可能发生变化，影响试验精度。

[0036] 为了克服复合材料层间剪切试验时存在的上述问题，本实施例提供的复合材料层间剪切试验装置由底座31、两个支座32和加载头33组成。其中底座31上包括滑槽34，滑槽34在底座31的长度方向上的一个侧面上开设，滑槽34位于底座31上一个面的中间，滑槽34的长度可以和底座31的长度相同，即贯通底座31，或者滑槽34的长度还可以小于底座31的长度。但滑槽34的长度至少要大于使用该装置进行试验的试样的最大长度。两个支座32固定在滑槽34中，两个支座32可在滑槽34中滑动，两个支座32高度相同，由于试样是放置于两个支座32上，通过调整两个支座32之间的距离，则可以对不同长度的试样进行试验，因此两个支座32可以在滑槽34中滑动，同时，为了确保加载在试样上的力平衡，两个支座32的高度也需要相同，另外，由于试验过程中需要对放置在支座32上的试样进行加载，为了保证试样和支座32的稳定，支座32还需要能够固定在滑槽34中。

[0037] 每个支座32的顶面均为弧面，同时加载头33的顶面也为弧面。这是由于试样是放置于两个支座32上，由加载头33对试样进行加载，在加载过程中试样可能产生形变。而若试样产生了形变，那么支座32和加载头33与试样接触的点就会发生变化。若支座32和加载头33的顶面具有棱角，则在试验过程中，在试样上，不同时刻支座32和加载头33与试样接触的点受到的压强也是不同的。例如若支座32的顶面为矩形，当试样在试验过程中产生形变，则试样中间会向底座31的方向凹陷，试样与支座32的接触点会逐渐向顶面的矩形棱靠近。而试样的形变越大，接触点会越靠近矩形的棱，这意味着试样和支座32的接触面积越来越小。
根据压强的计算公式可知，物体所受到的压强等于其受到的力除以接触面积，因此在上述情况下，试样变形越严重，受到的压强也越大。同样地，加载头33处的情况也一样。而压强变化会导致试验结果产生变化。因此，支座32和加载头33的顶面设计为弧面，则当试样发生形变时，试样与支座32以及加载头33接触的面都为弧面，接触面积都相同，也就是压强相同。
另外，每个支座32顶面的长度大于可使用该装置进行试验的试样的最大宽度，这样为了使试样能够始终位于支座32上面，可以对不同宽度的试样进行试验。

[0038] 每个支座32的顶面还包括至少一个定位销35，定位销35可在支座的顶面长度方向上滑动，每个支座32上还包括用于固定定位销35的紧固件36。也就是在支座32上还固定有定位销35，定位销35通过紧固件36固定在支座32上。定位销35位于支座32的顶面，并可以在支座32顶面长度方向上滑动。定位销35用于为放置在支座32上的试样进行定位，使得试样在试验过程中不会在支座32上发生位移。定位销35可以在每个支座32的顶面的长度方向上的一个侧面设置，或者定位销35还可以是在每个支座32的顶面的长度方向上的两个侧面都设置。由于在进行层间剪切试验时，加载头需要在试样的中心加载载荷，因此设置定位销35能够使得在对不同宽度的试样进行试验时，采用定位销35先定位好位置，然后将试样放置在支座32上时，定位销35即可确保试样处于支座32的中心位置。

[0039] 综上所述，本实施例提供的复合材料层间剪切试验装置，通过将两个支座设置在滑槽中，将每个支座和加载头的顶面制成弧面，并在每个支座的顶面设置至少一个定位销，使得该装置具有如下优点：可以同时适用于对多种尺寸的试样进行试验、保证试样在试验过程中始终位于两个支座中心、当试样在试验过程中发生形变时保证支座和加载头施加在试样上的力相同，从而使本实施例提供的复合材料层间剪切试验装置能够更有效率和更精确地完成复合材料层间剪切试验。

[0040] 图4A和图4B为图3A和图3B所示实施例提供复合材料层间剪切试验装置在试验过程中的状态示意图。其中，图4A为在对试样开始加载前的状态示意图，如图4A所示，试样41放置于两个支座32上，加载头33准备在试样41上进行加载。图4B为在对试样开始加载过程中的状态示意图，如图4B所示，当加载头33对试样41进行加载后，试样41会产生形变，中心会向底座31一侧凹陷；在图4A和图4B中未出示定位销是由于在图中定位销被试样41挡住而无法示出。

[0041] 图5为本发明提供的复合材料层间剪切试验装置实施例二的结构示意图，图5仅示出底座以及支座。

[0042] 在图3A和图3B所示实施例的基础上，为了保证支座32能够固定在滑槽34中，并且能够在滑槽34中滑动，那么本发明提供的复合材料层间剪切试验装置还可以包括如下特征：滑槽34内的宽度大于滑槽34表面的宽度。支座32底部还包括滑槽紧固件，滑槽紧固件包括滑槽紧固螺钉51和滑槽紧固螺母52，滑槽紧固螺母52为正方形，滑槽紧固螺母52的边长大于滑槽34表面的宽度并且大于滑槽34内的最大宽度的并且小于滑槽34内的最大宽度，滑槽紧固螺母52位于滑槽34内部，滑槽紧固螺母54和滑槽紧固螺钉51通过支座32底部的紧固孔连接在一起。

[0043] 从图5中可以看出，滑槽34内部的宽度大于其表面的宽度，同时支座32底部具有滑槽紧固件，滑槽紧固件包括滑槽紧固螺钉51和滑槽紧固螺母52，滑槽紧固螺母52为正方形，滑槽紧固螺母52位于滑槽34内部，那么通过设计滑槽紧固螺母52的合适边长，则可以使得将滑槽紧固螺钉51和滑槽紧固螺母52通过支座32底部的紧固孔连接在一起后，支座32被卡在滑槽34上，不会脱落出来。当松开滑槽紧固螺钉51时，支座32可以在滑槽34上滑动，当拧紧滑槽紧固螺钉51时，支座32可以被固定在滑槽34上。

[0044] 根据简单的三角函数可以得出，当滑槽紧固螺母52的边长大于滑槽34表面的宽度并且小于滑槽34内的最大宽度时，滑槽紧固螺母52能够放置于滑槽34内并不会从滑槽34中脱出。而滑槽紧固螺母52的边长大于滑槽34内最大宽度的，可以使得在转动滑槽紧固螺钉51时，滑槽紧固螺母52可以卡在滑槽34内，实现自锁紧。

[0045] 进一步地，在上述各实施例中，定位销35可以呈U型，并且在支座32顶面的长度方向的至少一个侧面包括定位销孔，定位销35的一端插入定位销孔中，定位销35的另一端位于支座32的顶面，支座32的顶面的宽度方向的至少一个侧面包括紧固件孔，紧固件36位于紧固件孔中，紧固件孔与定位销孔连通。当紧固件36松开时，定位销35可以在定位销孔中移动，使得定位销35在支座32顶面的长度方向上滑动，当定位销35在支座32顶面的长度方向上移动到所需位置时，拧紧紧固件36，则定位销35将被固定。

[0046] 进一步地，在上述各实施例中，支座32的顶面为光滑、无凹坑、无毛刺的弧面，加载头33的顶面为光滑、无凹坑、无毛刺的弧面。

[0047] 进一步地，在上述各实施例中，支座32和加载头33使用硬度介于58HRC至62HRC之间的钢材制作。

[0048] 本发明提供的复合材料层间剪切试验装置底座31连接有底座连接件加载头33连接有加载头连接件。

[0049] 其中，底座31在滑槽34的相对一侧包括底座连接件61，底座连接件61用于将底座31固定在力学性能试验机上，加载头33在顶面的相对一侧包括加载头连接件62，加载头连接件62用于将加载头33固定在力学性能试验机上。在两个支座32和加载头33之间设置试样
41，图中示出试样41被压弯曲的状态。

[0050] 力学性能试验机是用于进行材料力学性能检测试验的专用设备，其需要将加载头和底座固定，从而才能进行剪切强度试验。因此，本实施例提供的复合材料层间剪切试验装置还包括底座连接件61和加载头连接件62，从而可以将装置连接在力学性能试验机上。底座连接件61和加载头连接件62的具体结构根据力学性能试验机而决定。在本实施例中，底座连接件61和加载头连接件62均为带有台阶的柱状结构，并且设置有固定孔，通过固定孔与力学性能试验机连接。

[0051] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。