专利名称：复合材料开孔结构的孔边应力检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及复合材料力学参量测量技术领域，具体是一种复合材料开孔结构的孔边应力检测系统。
背景技术：
复合材料结构件，因其具有高比强度、高比刚度、优良的减振性、耐疲劳、抗腐蚀等优点，应用日益广泛。出于安装仪器、检查维护、拆装的需要，在复合材料结构上就开有不同形状的孔。对于复合材料开孔结构来说，由于塑性变形，复合材料的相对脆性，孔边应力释放较少，特别突出的一个问题就是有载孔孔边区域的应力集中。开孔后部分碳纤维被完全切断，在荷载作用下，孔口附近会产生分层开裂损伤，使得孔口附近的应力有着明显的增大，对结构安全是潜在威胁，同时，对复合材料结构的承载能力、使用寿命也产生严重不良影响。为了更好研究复合材料开孔孔边力学性能，通过实验手段获得试件的应力场是力学研究中非常重要的基础工作。相移云纹干涉方法对结构的变形做直接测量，可得到孔边任意一点的位移信息。这种方法不受结构的变形程度、温度、时间、频率或速度的影响，因此，在其他实验方法不能解决的问题中，发挥重要作用。但是，试件及光栅在钻孔前后精确复位定位、试件载荷施加等存在问题，都给云纹法测量复合材料孔边应力分布带来了一定困难。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，所述的这种复合材料开孔结构的孔边应力检测系统要解决现有技术中采用云纹干涉法测量复合材料力学参数时重复定位不准以及试件加载不方便的技术问题。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的其包括孔边预紧力加载单元、剪切单元和测量单元，所述孔边预紧力加载单元包括基座、步进电机、传动装置和加载螺钉， 步进电机设置在基座上，传动装置的输入端与步进电机轴相连接，加载螺钉设置在传动装置的动力输出端，所述剪切单元包括调速电机、传动控制系统、第一装夹头、第二装夹头、框架、第一支架和第二支架，待测试的试件安装于第一装夹头和第二装夹头上，待测试的试件上设有加载螺钉拧入的孔，框架设于基座外周，调速电机和传动控制系统设置在框架上，传动控制系统与调速电机相连接，第一装夹头与第一支架固定连接，第一支架一端与传动控制系统相连接，第一支架与框架之间设有滑动副，第二装夹头通过第二支架固定于框架上， 所述测量单元采用光栅云纹干涉仪，光栅云纹干涉仪设于框架上，该光栅云纹干涉仪的物镜处于加载螺钉的轴线上。步进电机水平地设在基座上，加载螺钉呈竖直设置，传动装置是由两个锥齿轮构成的齿轮副，其中一个锥齿轮轴呈水平设置，并与步进电机轴相连接，另一个锥齿轮轴呈竖直设置，并与加载螺钉固定相连，光栅云纹干涉仪的物镜位于加载螺钉正上方。[0007]所述传动控制系统由丝杆螺母副构成，丝杆与调速电机的输出轴相连接，螺母与第一支架的上端固定相连接，第一支架下端与框架之间设有沿框架宽度方向的滑动副。第一装夹头和第二装夹头上设置沿其长度和宽度两个方向的刻度线，相邻两条刻度线的间距为0. 5mm。在第一装夹头的端部和侧边各设有一个紧固螺钉，第二装夹头的端部设有紧固螺钉，待测试的试件通过紧固螺钉设置在第一装夹头和第二装夹头上。加载螺钉由Ti-6A14V钛合金材料构成。本实用新型和已有技术相比，其效果是积极和明显的。本实用新型在复合材料开孔结构的孔边应力检测系统中设置步进电机对试样进行预紧加载，而由调速电机施加剪切作用力，在第一装夹头和第二装夹头上设有两个方向的刻度线，不但可以对待测试件施加剪切载荷和/或孔口预紧力，而且可以对钻孔前后试件和光栅进行精确定位，消除了钻孔带来的位置改变造成的误差。
图1是本实用新型复合材料开孔结构的孔边应力检测系统的结构示意图。图2是图1中待测试的试件装夹示意图。图3是待测试的试件示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型作进一步详细说明。如图1、图2和图3所示。在本实施例中，这种复合材料开孔结构的孔边应力检测系统包括孔边预紧力加载单元、剪切单元和测量单元，所述孔边预紧力加载单元包括基座 14、步进电机11、传动装置12和加载螺钉13，加载螺钉由Ti-6A14V钛合金材料构成，加载螺钉13规格尺寸可以根据需要进行选择，基座14可由一个平板构成，步进电机11设置在基座14上，步进电机11水平地设在基座14上、位于基座底部，加载螺钉13呈竖直地设置， 传动装置12是由两个锥齿轮构成的齿轮副，其中一个锥齿轮轴呈水平设置，作为传动装置 12的输入端，与步进电机轴相连接，另一个锥齿轮轴呈竖直设置，作为传动装置12的输出端，与加载螺钉13固定相连，所述剪切单元包括调速电机21、传动控制系统22、第一装夹头 26、第二装夹头27、框架23、第一支架M和第二支架25，待测试的试件5安装于第一装夹头沈和第二装夹头27上，试件5为层合复合材料结构，即试件5由多层材料构成，待测试的试件5上设有加载螺钉13拧入的孔，框架23是上下侧面开口的长方体形壳体，框架23 设于基座14外周，调速电机21和传动控制系统22设置在框架23上，传动控制系统22与调速电机21相连接，所述传动控制系统22由丝杆螺母副构成，丝杆与调速电机21的输出轴相连接，螺母与第一支架M的上端固定相连接，第一支架M下端与框架23之间设有沿框架宽度方向的滑动副，如图1所示，也就是第一支架M下端与框架23之间设有沿垂直纸面方向的滑动副，第一装夹头26与第一支架M固定连接，第一支架M —端与传动控制系统22相连接，第二装夹头27通过第二支架25固定于框架23上，这样在调速电机21作用下，第一支架M可以带动第一装夹头26 —端沿框架23宽度方向运动，进而给试件施加层间剪切力，所述测量单元采用光栅云纹干涉仪4，可采用现成商用的光栅云纹干涉仪，光栅云纹干涉仪4设于框架23上，该光栅云纹干涉仪的物镜处于加载螺钉23的轴线上，即物镜位于试件5的正上方。第一装夹头沈和第二装夹头27上设置沿其长度和宽度两个方向的刻度线，相邻两条刻度线的间距为0. 5mm，这可提高试件的重复定位精度。在第一装夹头沈的端部和侧边各设有一个紧固螺钉32和31，第二装夹头27的端部设有紧固螺钉33，待测试的试件5通过紧固螺钉31、32、33设置在第一装夹头沈和第二装夹头27上。下面对测试的过程作进一步详细的说明。首先，用于复合材料剪切双V形开槽标准测试试件如图3所示，试件长76mm，宽 19mm，厚度3 8mm，以能在装夹头内方便装卸试件为准。对试件表面进行光栅加工。其次，试件装夹时，根据试件大小记录下试件在第一装夹头沈和第二装夹头27上沿X、Y两个方向的位置，即试件长度和宽度方向的位置。第一装夹头26通过第一支架M 在传动控制系统22带动下，对双V形开槽试件5施加垂直于纸面方向的剪切力，产生层间剪切力。对复合材料未开孔试件进行云纹干涉测试。由光栅云纹干涉仪4获得试件表面清晰的干涉图像。接下来，对复合材料试件进行开孔加工，并选择和孔口尺寸相匹配的螺钉13。根据试件在第一装夹头沈和第二装夹头27上坐标值，将试件在第一装夹头和第二装夹头上复位。第一装夹头沈通过第一支架M在传动控制系统22带动下，对双V形开槽试件施加垂直于纸面方向的剪切力，产生层间剪切力。加载螺钉13在步进电机11的传动装置12作用下，实现拧入深度和预紧力大小的控制。对复合材料开口试件进行云纹干涉测试，获得试件表面的清晰干涉图像。最后是对图像测试数据的收集和处理。通过比较被测试件受载变形前后云纹图的变化，计算出位移场，并通过相关软件计算出它的应变应力场，对待测材料在实际工作环境中的受力性能进行评价。该系统满足了复合材料开孔结构孔边应力的测量精度的要求，实现了开孔前后材料应力场变化的测试，可用于对开口结构对复合材料试件力学性能影响的分析。当然，除了上述技术方案，加载螺钉上根据需要可以增设垫圈。
权利要求1.一种复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，其特征在于其包括孔边预紧力加载单元、剪切单元和测量单元，所述孔边预紧力加载单元包括基座(14)、步进电机(11)、传动装置(12)和加载螺钉(13)，步进电机(11)设置在基座(14)上，传动装置(12)的输入端与步进电机轴相连接，加载螺钉(13)设置在传动装置(12)的动力输出端，所述剪切单元包括调速电机(21)、传动控制系统(22)、第一装夹头(26)、第二装夹头(27)、框架(23)、第一支架(24)和第二支架(25)，待测试的试件(5)安装于第一装夹头(26)和第二装夹头(27)上， 待测试的试件(5)上设有加载螺钉(13)拧入的孔，框架(23)设于基座(14)外周，调速电机 (21)和传动控制系统(22)设置在框架(23)上，传动控制系统(22)与调速电机(21)相连接，第一装夹头(26)与第一支架(24)固定连接，第一支架(24) —端与传动控制系统(22) 相连接，第一支架(24)与框架(23)之间设有滑动副，第二装夹头(27)通过第二支架(25) 固定于框架(23)上，所述测量单元采用光栅云纹干涉仪(4)，光栅云纹干涉仪(4)设于框架 (23)上，该光栅云纹干涉仪的物镜处于加载螺钉(13)的轴线上。
2.如权利要求1所述的复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，其特征在于步进电机(11)水平地设在基座(14)上，加载螺钉(13)呈竖直设置，传动装置(12)是由两个锥齿轮构成的齿轮副，其中一个锥齿轮轴呈水平设置，并与步进电机(11)轴相连接，另一个锥齿轮轴呈竖直设置，并与加载螺钉(13)固定相连，光栅云纹干涉仪的物镜位于加载螺钉(13) 正上方。
3.如权利要求2所述的复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，其特征在于所述传动控制系统(22)由丝杆螺母副构成，丝杆与调速电机(21)的输出轴相连接，螺母与第一支架(24)的上端固定相连接，第一支架(24)下端与框架(23)之间设有沿框架(23)宽度方向的滑动副。
4.如权利要求3所述的复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，其特征在于第一装夹头(26)和第二装夹头(27)上设置沿其长度和宽度两个方向的刻度线，相邻两条刻度线的间距为0. 5mm。
5.如权利要求4所述的复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，其特征在于在第一装夹头的端部和侧边各设有一个紧固螺钉，第二装夹头的端部设有紧固螺钉，待测试的试件通过紧固螺钉设置在第一装夹头和第二装夹头上。
6.如权利要求5所述的复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，其特征在于加载螺钉(13)由Ti-6A14V钛合金材料构成。
专利摘要一种复合材料开孔结构的孔边应力检测系统，其包括孔边预紧力加载单元、剪切单元和测量单元，孔边预紧力加载单元包括基座、步进电机、传动装置和加载螺钉，剪切单元包括调速电机、传动控制系统、第一装夹头、第二装夹头、框架、第一支架和第二支架，待测试的试件安装于第一装夹头和第二装夹头上，测量单元采用光栅云纹干涉仪，光栅云纹干涉仪设于框架上。本实用新型中设置步进电机对试样进行预紧加载，而由调速电机施加剪切作用力，在第一装夹头和第二装夹头上设有两个方向的刻度线，不但可以对待测试件施加剪切载荷和/或孔口预紧力，而且可以对钻孔前后试件和光栅进行精确定位，消除了钻孔带来的位置改变造成的误差。
文档编号G01N3/24GK202018351SQ20112009794
公开日2011年10月26日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者徐平, 李成, 赵华东, 郑艳萍, 铁瑛, 黄从奎 申请人:郑州大学