一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件的制作方法
【专利摘要】一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件，该试验夹具包含形状、结构和外形尺寸都基本相同的上夹具和下夹具两部分，典型试件被夹具的滑块夹持在上夹具和下夹具之间；两部分夹具都含有底座、底座上部、滑块、夹具前端；该典型试件呈120度圆弧状，内设有一个典型的纵横筋“井”字结构，为了避免典型试件的两边先于试件的中部破坏，在边界上布置加强筋；加强筋的尺寸需要经过有限元数值模拟屈曲计算确定加强筋的大小；本发明针对典型试件的特征设计特定的夹具来夹紧固定典型试件，把夹具作为中间媒介把力从试验机夹头传递到典型试件，确保典型试件的中部先于边界破坏。
【专利说明】一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件，属于航空航天设备与工艺【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在航空航天领域中有很多的飞行器具有蒙皮加筋圆柱壳结构。航空航天飞行器在起飞、发射、机动阶段承受很大的过载，这些过载将会在蒙皮加筋圆柱壳结构的轴向引起较大的轴向压缩载荷，较大的压缩载荷使得轴向压缩失稳屈曲是较大可能的结构失效方式。随着复合材料在航空航天领域应用的越来越广泛，复合材料层合板蒙皮加筋圆柱壳结构的失稳屈曲问题将是被重点关注的问题。复合材料结构的性能和稳定性与其制造工艺有很大的关联性，必须通过一些具有典型铺层和典型结构的试验件来测定、验证相应蒙皮加筋圆柱壳结构的抗屈曲性能。然而这些典型试件没有专门的夹具固定进行压缩屈曲试验，这就需要设计制作特定的夹具来夹持典型试件进行轴向压缩稳定性试验。
[0003]为了节约材料及试验成本，典型试件不制作成360度圆心角的蒙皮加筋圆柱壳结构，考虑到相应飞行器的筋条布置情况，典型试件制作成120度圆心角的蒙皮加筋圆柱壳结构，典型试件中的纵横筋条至少要组成一个“井”字结构。为了防止典型试件的边界首先开始失稳屈曲破坏，典型试件的两边布置加强筋加强。但是，如果加强筋的截面尺寸太小，则加强筋刚度太弱，起不到加强的效果。如果加强筋的截面尺寸太大，则加强筋刚度过强，材料没有得到节约。所以，加强筋的尺寸需要有限元数值模拟计算确定，确保加强筋的刚度足够，失稳破坏首先在典型试件的中部发生，同时确保加强筋的尺寸不过大。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:蒙皮加筋圆柱壳结构典型试件既要节省材料又要有蒙皮加筋圆柱壳结构的典型特征；典型试件的夹紧固定；把试验机上夹头的竖直向下的压力很好的传递到典型试件上；避免典型试件的边界首先发生屈曲失稳；避免压缩载荷集中到加强筋。
[0005]本发明解决技术问题所采用的技术方案是:针对典型试件的特征设计特定的夹具来夹紧固定典型试件；把夹具作为中间媒介把力从试验机夹头传递到典型试件；经过有限元数值模拟计算设计适当大小的加强筋来增强典型试件的边界，确保典型试件的中部先于边界破坏；为了避免压缩载荷集中到加强筋上，加强筋的长度小于典型试件的长度。
[0006]本发明是一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件(图1)，该试验夹具包含形状、结构和外形尺寸都基本相同的上夹具(图2)和下夹具(图3)两部分，其间关系是:典型试件(图8)被夹具的滑块夹持在上夹具和下夹具之间。两部分夹具都含有底座(图4)、底座上部(图5)、滑块(图6)、夹具前端(图7)。底座与底座上部之间用6个螺栓连接固定，夹具前端与底座之间用5个螺栓连接固定，旋转夹具前端上的推力螺栓推动滑块夹紧典型试件。该底座呈T型状，其上部设有底座固定螺栓螺纹孔，侧边设有与夹具前端连接的螺纹孔。该底座上部呈凹型状，上、下夹具的底座上部的区别是:上夹具的底座上部没有加强筋槽，而下夹具的底座上部设有对称的凹型加强筋槽。该滑块呈凸型状，与底座上部的凹型相配合，上夹具的滑块有对称的纵筋槽，下夹具的滑块既有对称的纵筋槽又有对称的加强筋槽，这些对称的纵筋槽和加强筋槽与典型试件的纵筋和加强筋相配合。上、下夹具的底座上部和滑块的区别是与典型试件在边界效应上的考虑相对应的。该夹具前端是矩形板料件，其上设有螺纹孔，上排为推力螺栓螺纹孔，下排为前端固定螺栓螺纹孔。该典型试件呈120度圆弧状，内设有一个典型的纵横筋“井”字结构，为了避免典型试件的两边先于试件的中部破坏，在边界上布置加强筋。加强筋的尺寸既不能太小也不宜太大，太小加强筋的刚度不够，起不到增强效果，太大则浪费材料，所以需要经过有限元数值模拟屈曲计算确定加强筋的大小。为防止压力集中到刚度较大的加强筋上，加强筋与典型试件的上端有一段距离，这段距离适中，依据试验确定，既不能太大也不能太小，太大则没有被加强的边界可能先发生失稳破坏，太小则上夹具的滑块底面在试验过程中会顶在加强筋端面上，压力随后将集中在刚度较大的加强筋上。
[0007]该夹具夹紧典型试件的工况可分为以下几步:
[0008]1、用底座固定螺栓把底座与底座上部连接固定。
[0009]2、用前端固定螺栓把夹具前端与底座连接固定。
[0010]3、把典型试件的下端放入下夹具底座上部的圆弧凹槽中，试件的边界加强筋放入底座上部的加强筋槽中,试件的下端顶住下夹具底座。
[0011]4、把滑块放入夹具前端与典型试件之间，滑块的纵筋槽和加强筋槽与试件的纵筋和加强筋相配合。
[0012]5、扭动推力螺栓，推力螺栓前端向前进，推动滑块压紧典型试件的下夹持端。
[0013]6、下夹具夹紧典型试件即可把试件水平放置进行夹紧操作，又可把试件竖直放置进行夹紧操作。在下夹具夹紧试件之后，上夹具夹紧试件上端时，最好把试件水平放置进行夹紧操作。上夹具夹紧试件上端的步骤与下夹具夹紧试件下端的步骤类似。
[0014]7、试验机的上、下夹头分别夹住上、下夹具底座上的加持柄，夹头前端平面顶住底座底面。
[0015]七步之后就完成了夹具对典型试件的夹持和试验机夹头对夹具的夹持。在试验过程中，下夹头静止不动，上夹头竖直向下运动。试验机上夹头竖直向下的压缩载荷通过上夹头传递到试件上，试件在压缩载荷的作用下发生屈曲失稳行为。
[0016]优点及功效:本发明是一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件，其优点及功效是:1、夹具夹紧典型试件的操作简单、可行。2、夹具与典型试件有很好的配合度，夹具对典型试件的夹持紧密、可靠。3、试验机夹头对夹具的夹持方便、可靠。4、把夹具作为中间媒介，试验机夹头的向下压缩载荷可以很好的传递到典型试件。5、典型试件的圆心角为120°，即节省了材料又保证了典型试件具有蒙皮加筋圆柱壳结构的典型特征。6、考虑边界效应，典型试件的边界布置了恰当大小的加强筋，确保屈曲失稳首先发生在试件中部，且加强筋截面不过大。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为试验夹具与典型试件示意图。[0018]图2为下夹具拆解示意图。
[0019]图3为上夹具拆解示意图。
[0020]图4a是底座三维图。
[0021 ]图4b是底座正视图。
[0022]图5a是下夹具底座上部三维图。
[0023]图5b是下夹具底座上部正视图。
[0024]图6a是下夹具滑块三维图。
[0025]图6b是下夹具滑块正视图。
[0026]图7a是夹具前端三维图。
[0027]图7b是夹具前端正视图。
[0028]图8a是典型试件三维图。
[0029]图8b是典型试件正视图。
[0030]图8c是典型试件左视图。
[0031]图9a是典型试件与夹具装配体的工程图之正视图。
[0032]图9b典型试件与夹具装配体工程图之剖视图A-A。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0034]见图1，本发明是一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件，该试验夹具包含形状、结构和外形尺寸都基本相同的上夹具和下夹具两部分，其间关系是:典型试件被夹具的滑块夹持在上夹具和下夹具之间。两部分夹具都含有底座、底座上部、滑块、夹具前端。底座与底座上部之间用6个螺栓连接固定，夹具前端与底座之间用5个螺栓连接固定，旋转夹具前端上的推力螺栓推动滑块夹紧典型试件。该底座呈T型状，其上部设有底座固定螺栓螺纹孔，侧边设有与夹具前端连接的螺纹孔。该底座上部呈凹型状，上、下夹具底座上部的区别是:上夹具的底座上部没有加强筋槽，而下夹具的底座上部设有凹型的加强筋槽。该滑块呈凸型状，与底座上部的凹型相配合，上夹具的滑块有对称的纵筋槽，下夹具的滑块既有对称的纵筋槽又有对称的加强筋槽，这些对称的纵筋槽和加强筋槽与典型试件的纵筋和加强筋相配合。上、下夹具的底座上部和滑块的区别是与典型试件在边界效应上的考虑相对应的。该夹具前端是矩形板料件，其上设有螺纹孔，上排为推力螺栓螺纹孔，下排为前端固定螺栓螺纹孔。该典型试件呈120度圆弧状，内设有一个典型的纵横筋“井”字结构，为了避免典型试件的两边先于试件的中部破坏，在边界上布置加强筋。加强筋的尺寸既不能太小也不宜太大，太小加强筋的刚度不够，起不到增强效果，太大则浪费材料，所以需要经过有限元数值模拟屈曲计算确定加强筋的大小。为防止压力集中到刚度较大的加强筋上，加强筋与典型试件的上端有一段距离，这段距离适中，依据试验确定；既不能太大也不能太小，太大则没有加强的边界先发生失稳破坏，太小则上夹具的滑块底面在试验过程中会顶在加强筋端面上，压力随后将集中在刚度较大的加强筋上。
[0035]图2为下夹具拆解示意图。下夹具包含4个零件:底座，底座上部，滑块，夹具前端。还包括6个底座固定螺栓，5个前端固定螺栓，5个垫片。底座固定螺栓固定底座和底座上部，前端固定螺栓固定夹具前端和底座，旋转推力螺栓，推动滑块，滑块夹紧典型试件。底座上部的加强筋槽用以放置试件加强筋的外侧，滑块的加强筋槽用以放置试件加强筋的内侧，纵筋槽用以放置试件纵筋。
[0036]图3为上夹具拆解示意图。上夹具与下夹具的组成零件是一样的，上夹具的底座上部和滑块在细节上与下夹具的底座上部和滑块不一样。上夹具的底座上部和滑块没有了加强筋槽。
[0037]图4a是底座三维图，图4b是底座正视图。底座呈T型状，由长方体铝块加工而成，夹持柄与底座底面之间通过焊接连接。夹持柄的作用是试验机夹头夹紧固定夹具，夹持柄与底座底面之间的槽的作用是为了便于试验机夹头在夹持夹持柄时顶在底座底面上。上面螺孔是底座固定螺栓螺纹孔，侧面螺孔是前端固定螺栓螺纹孔。
[0038]图5a是下夹具底座上部三维图，图5b是下夹具底座上部正视图。下夹具底座上部呈凹型状，由长方体铝块加工而成，首先加工出具有设计要求长、宽、高的长方形铝块，再加工出圆弧凹槽，接着在圆弧凹槽上加工出加强筋凹槽，最后在底面攻螺纹孔。圆弧凹槽与典型试件蒙皮的外侧接触，加强筋槽放置典型试件的加强筋外侧，底面的6个螺纹孔与底座固定螺栓相配合。上夹具底座上部与下夹具底座上部相比少了 2个加强筋槽，上、下夹具的底座上部的区别是与典型试件在边界效应上的考虑相对应的。
[0039]图6a是下夹具滑块三维图，图6b是下夹具滑块正视图。下夹具滑块呈凸型状，由底座上部加工圆弧凹槽时切割下来的料加工而成，滑块的圆弧面上加工2个加强筋槽，2个纵筋槽。滑块的圆柱面与典型试件的内侧接触，加强筋槽放置试件加强筋的内侧，纵筋槽放置试件的纵筋。上夹具滑块与下夹具滑块相比少了 2个加强筋槽，上、下夹具的滑块的区别是与典型试件在边界效应上的考虑相对应的。
[0040]图7a是夹具前端三维图，图7b是夹具前端正视图。夹具前端由长方体铝块加工而成，其上攻了螺纹通孔。夹具前端的下排为5个与前端固定螺栓相配的螺纹孔，上排为4个与推力螺栓相配的螺纹孔。
[0041]图8a是典型试件二维图，图8b是典型试件正视图，图8c是典型试件左视图。试件圆柱面的圆心角为120°，试件的纵环筋组成一个“井”字。该试件由碳纤维环氧树脂单向带铺设而成，试件的加工工艺有热压罐成型和RTM工艺成型。为避免典型试件的边界先于中间部分屈曲破坏，在试件的两边布置加强筋，同时为避免压缩载荷集中到加强筋上，加强筋与试件上端留有一段距离，使得加强筋与夹具表面有一小段距离，这一小段距离必须要大于上夹具在试件失稳破坏之前的向下运动距离，否则，上夹具在向下运动一段距离之后，夹具表面将顶住加强筋端面，压缩载荷将会集中到刚度较强的加强筋上。加强筋的截面尺寸经过有限元数值模拟计算得到，确保试件中部先于边界失稳破坏，加强筋的宽度是20_，内、外侧厚度都是8mm,纵筋和环筋的宽度都是IOmm,厚度都是2mm,为了拔模方便加强筋、纵筋和环筋都设计了拔模角。
[0042]图9a是典型试件与夹具装配体的正视图，图9b是典型试件与夹具装配体剖视图A-A0典型试件与夹具装配件的三维图如图1所示。底座固定螺栓总长为32_，螺帽为9_，螺杆长23mm，螺纹为公制细牙螺纹，螺杆直径为10mm，螺距为1mm，螺杆底部有I X Imm的倒角。前端固定螺栓总长为40mm，螺帽为9mm，螺杆长31mm，螺纹为公制细牙螺纹，螺杆直径为IOmm,螺距为Imm,螺杆底部有IXlmm的倒角。推力螺栓总长为29mm,螺帽为4mm,螺杆长25mm，螺纹为公制细牙螺纹，螺杆直径为10mm，螺距为1mm，螺杆底部有I X Imm的倒角。[0043]试验夹具与典型试件的实用性经过了试验验证。在试验过程中，“砰”的一声，试件中部出现凹陷，试件屈曲破坏。试验结果与有限元模拟结果误差较小，两者的屈曲破坏位置与模式也吻合较好。本设计中在底座底面上加有夹持柄，试验时，试验机夹头夹住夹持柄，夹头端部平面顶住底座底面。
【权利要求】
1.一种蒙皮加筋圆柱壳结构的试验夹具与典型试件，其特征在于:该试验夹具包含形状、结构和外形尺寸都基本相同的上夹具和下夹具两部分，典型试件被夹具的滑块夹持在上夹具和下夹具之间；两部分夹具都含有底座、底座上部、滑块、夹具前端；底座与底座上部之间用6个螺栓连接固定，夹具前端与底座之间用5个螺栓连接固定，旋转夹具前端上的推力螺栓推动滑块夹紧典型试件；该底座呈T型状，其上部设有底座固定螺栓螺纹孔，侧边设有与夹具前端连接的螺纹孔；该底座上部呈凹型状，上、下夹具的底座上部的区别是:上夹具的底座上部没有加强筋槽，而下夹具的底座上部设有对称的凹型加强筋槽；该滑块呈凸型状，与底座上部的凹型相配合，上夹具的滑块有对称的纵筋槽，下夹具的滑块既有对称的纵筋槽又有对称的加强筋槽，这些对称的纵筋槽和加强筋槽与典型试件的纵筋和加强筋相配合；上、下夹具的底座上部和滑块的区别是与典型试件在边界效应上的考虑相对应；该夹具前端是矩形板料件，其上设有螺纹孔，上排为推力螺栓螺纹孔，下排为前端固定螺栓螺纹孔；该典型试件呈120度圆弧状，内设有一个典型的纵横筋“井”字结构，为了避免典型试件的两边先于试件的中部破坏，在边界上布置加强筋；加强筋的尺寸需要经过有限元数值模拟屈曲计算确定加强筋的大小；为防止压力集中到刚度较大的加强筋上，加强筋与典型试件的上端有一段距离，这段距离要适中，太大则没有被加强的边界可能先发生失稳破坏，太小则上夹具的滑块底面在试验过程中会顶在加强筋端面上，压力随后将集中在刚度较大的加强筋上。
【文档编号】G01M13/00GK103639941SQ201310711741
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】李成虎, 武哲, 程小全, 殷实, 刘丽莎 申请人:北京航空航天大学