复合材料低温性能测试夹具组件的制作方法

本发明属于材料力学性能测试设备，特别涉及用于低温环境下复合材料的拉伸和疲劳试验的夹具组件。

背景技术：

纤维增强复合材料以其优异的比强度、比刚度以及良好的热阻性，在低温领域(如低温承压容器、低温环境支撑件、超导设备等)具有巨大的应用前景和潜力。复合材料在低温下的力学性能参数与常温下相比会发生变化，这主要是由于在低温下基体变脆、基体与纤维的热膨胀系数不同导致的界面热应力等因素造成的，然而在现阶段，由于低温试验设备的复杂性等因素，复合材料的低温力学性能参数还很少，这严重制约了复合材料在低温下的应用。

利用常温夹具对复合材料在低温下进行拉伸和疲劳试验，常常会发生复合材料打滑的现象，导致试验无法进行。但是，在进行复合材料拉伸或者疲劳试验时，不能在其夹持段开孔，否则会造成开孔段首先发生破坏。同时，由于复合材料特殊的结构形式，也不能在夹持段设置螺纹结构。这些使得复合材料的夹持成为一个难题。

虽然专利cn102841011a提出了用于测试纤维增强复合材料低温力学拉伸性能的测试夹具，但是其存在两个问题：1、复合材料的初始夹紧力太小，无强制夹紧装置，很可能在初始拉伸时试样就发生打滑；2、两个夹持滑块不能实现同时运动，这使得两个滑块的齿尖不能保证水平对齐，在复合材料夹持段会产生很大的切应力，很可能使得夹持段首先发生破坏。专利cn104020043a设计了另外一种复合材料低温力学性能测试夹具，但是其结构不紧凑，难以应用到常见的疲劳试验装置上，且缺乏自紧装置，夹紧力主要为螺栓力。

目前，国内外尚未见述相关试验夹具对上述问题给出较好的解决方案。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中传统实验夹具应用于复合材料低温力学实验时出现的试样打滑的问题，提出一种复合材料低温性能测试夹具。

为解决问题，本发明的技术方案如下：

提供一种用于复合材料低温性能测试的夹具组件，包括两个用于夹持试样的夹具；所述夹具结构相同，均包括：用于夹持试样的夹持滑块、用于传动竖直位移的从动滑块、用于传动水平位移的过渡滑块、用于产生制动力的制动螺栓，以及用于强制夹紧试样的强制夹紧螺栓；其中，

夹具的一端开设用于连接试验机的螺杆沉孔，另一端设置开口状的u型通孔；u型通孔的两侧内壁相对倾斜形成夹角，使开口端距离小于底部横向尺寸，且两侧内壁上分别开设导向槽；在u型通孔的内部空间设置两个楔形的夹持滑块和一个t形的从动滑块；夹持滑块一侧的垂直面上设齿牙，另一侧的斜面上设凸块；两个夹持滑块的齿牙面相对布置，其凸块分别嵌于u型通孔的导向槽中，使斜面与u型通孔内壁相接；夹具的两侧分别开设螺纹通孔，强制夹紧螺栓通过螺纹通孔伸至u型通孔内壁的导向槽，并与夹持滑块相接；

所述t形的从动滑块位于夹持滑块与u型通孔底部之间，具有顶端为光滑斜面的凸起部位，凸起部位伸入至u型通孔底部的沉孔中；在该沉孔中还有一个过渡滑块，过渡滑块具有与从动滑块匹配的光滑斜面以形成摩擦副；制动螺栓通过夹具上的螺纹通孔与过渡滑块相接。

本发明中，从动滑块与沉孔相对的底端由三个面组成，中间为水平面，两侧为斜面，斜面的倾斜角与u型通孔内壁倾斜角之和为90°；在从动滑块的斜面上开设导向槽，夹持滑块的顶端设凸块，凸块嵌入至从动滑块的导向槽中。

本发明中，所述夹持滑块的垂直面与斜面之间的夹角为12°；垂直面上齿牙的上倾角为45°，向下倾角为0°。

本发明中，所述沉孔的底面等分为两半，与过渡滑块接触的一半比与从动滑块接触的一半深1-3mm；沉孔的结构只允许过渡滑块作水平移动，从动滑块作竖直移动。

本发明中，从动滑块与沉孔的底面之间有3mm的间隙，过渡滑块与矩形孔的侧面有3mm的间隙。

本发明中，所述强制夹紧螺栓共有四个，在夹具两侧各布置两个。

本发明中，所述沉孔为方沉孔。

本发明中，所述u型通孔的倾斜角，即内壁与水平面之间的夹角为78°。

本发明中，所述从动滑块和过渡滑块接触的斜面与水平面之间的夹角为30°～60°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、适用于纤维增强复合材料试样的低温拉伸和拉拉疲劳力学测试；

2、能够保证复合材料在低温下受拉不打滑，试样夹持段不受破坏；

3、在实验过程中，随着试验拉力的增大，夹具齿牙上的阻力越大，夹紧力越大，进一步保证了夹紧的效果。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为图1中上夹具的侧向剖视图；

图3为夹持滑块的主视图；

图4为图3中夹持滑块的左视图。

图中的附图标记为：上夹具1、制动螺栓2、过渡滑块3、从动滑块4、夹持滑块5、强制夹紧螺栓6、复合材料试样7、下夹具8、强制夹紧螺栓9、从动滑块10、过渡滑块11、制动螺栓12、夹持滑块13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐述。

用于复合材料低温性能测试的夹具组件，包括两个用于夹持试样的上夹具1和下夹具8，两个夹具的材料均使用inconel718合金，或者使用与inconel718力学性质参数类似的材料。上夹具1和下夹具2的结构、材料、尺寸完全一致，均包括：用于夹持试样的夹持滑块5、13，用于传动竖直位移的从动滑块4、10，用于传动水平位移的过渡滑块3、11，用于产生制动力的制动螺栓2、12，以及用于强制夹紧试样的强制夹紧螺栓6、9。

下面以上夹具1为例进行详细说明：

上夹具1的一端开设用于连接试验机的螺杆沉孔，另一端设置开口状的u型通孔；u型通孔的两侧内壁相对倾斜(内壁与水平面之间的夹角为78°)形成夹角，使开口端距离小于底部横向尺寸，且两侧内壁上分别开设导向槽；在u型通孔的内部空间设置两个楔形的夹持滑块5和一个t形的从动滑块4；夹持滑块5一侧的垂直面上设齿牙，另一侧的斜面上设凸块。夹持滑块5的垂直面与斜面之间的夹角为12°；垂直面上齿牙的上倾角为45°，向下倾角为0°。两个夹持滑块5的齿牙面相对布置，其凸块分别嵌于u型通孔的导向槽中，使斜面与u型通孔内壁相接，凸块能够沿着导向槽滑动。上夹具1的两侧分别开设螺纹通孔，每侧各两个强制夹紧螺栓6分别通过螺纹通孔伸至u型通孔内壁的导向槽，并与夹持滑块5相接，通过扭动强制夹紧螺栓6可实现夹持滑块的横向移动。图1中，齿牙顶端和试样7接触，齿牙底部两个齿牙面间设置倒角，以降低应力集中。

t形的从动滑块4位于夹持滑块5与u型通孔底部之间，具有顶端为光滑斜面的凸起部位，凸起部位伸入至u型通孔底部的沉孔(本实施例为方沉孔)中；在该沉孔中还有一个过渡滑块3，过渡滑块3具有与从动滑块4匹配的光滑斜面以形成摩擦副，接触面保证光滑、摩擦系数小。从动滑块4和过渡滑块3接触的斜面与水平面之间的夹角为30°～60°。沉孔的底面等分为两半，与过渡滑块3接触的一半比与从动滑块4接触的一半深1-3mm；沉孔的结构只允许过渡滑块3作水平移动，从动滑块4作竖直移动。从动滑块4与沉孔的底面之间有3mm的间隙，过渡滑块3与矩形孔的侧面有3mm的间隙。

制动螺栓2通过上夹具1上的螺纹通孔与过渡滑块3相接。从动滑块4与沉孔相对的底端(即与夹持滑块5接触的一侧)由三个面组成，中间为水平面，两侧为斜面，斜面的倾斜角与u型通孔内壁倾斜角之和为90°；在从动滑块4的斜面上开设导向槽，夹持滑块5的顶端设凸块，凸块嵌入至从动滑块4的导向槽中。

如图2所示，从动滑块4和过渡滑块3通过斜面的摩擦副连接，斜面设置可使得过渡滑块3的水平移动转化为从动滑块的向下移动。过渡滑块3和制动螺栓2连接，通过制动螺栓2可控制过渡滑块的水平移动。夹具中导向槽和凸块的配合均为间隙配合，保证凸块能在导向槽内自由滑动。

本发明的组装及使用如下：

上夹具1的组装：将过渡滑块3放入u型通孔顶部的沉孔内，将从动滑块4的斜面与过渡滑块3的斜面相贴合，将两个夹持滑块5的上凸块和侧凸块分别放入从动滑块4底面和u型通孔侧壁的导向槽内，拧入制动螺栓2，保持螺纹端面和过渡滑块3接触面间4-5mm距离，再分别拧入四个强制夹紧螺栓6，保持螺纹端面和夹持滑块的接触面间4-5mm距离。下夹具8的组装和上夹具1的组装方案完全一致。

利用螺杆将上夹具1和下夹具2与低温拉伸或疲劳试验机相连接。下面以上夹具1为例说明其使用方法：先手动抬升从动滑块4，从动滑块4和过渡滑块3在接触面上发生相对滑动，从动滑块4的向上移动转化成过渡滑块3的水平移动。同时，使两个夹持滑块5沿着从动滑块4和u型通孔侧面上的导向槽分离至标定位置，将复合材料试样7的夹持段伸入两个夹持滑块5的齿面中间，调节两个夹持滑块5的高度，使之处于同一高度。调节制动螺栓2，使得过渡滑块3水平移动，过渡滑块3和从动滑块4之间的斜面将力传播至从动滑块4上，从动滑块4向下运动，由于夹持滑块5的顶部和侧面都是斜向的导向槽，力的传播使得夹持滑块5沿着斜下方运动，复合材料试样7与齿面接触，继续调节制动螺栓2，直至无法再拧动。此时，调节四个强制夹紧螺栓6，使得试样继续被夹紧，试样的夹持完成。在此过程中要注意观察，确保复合材料试样7的夹持段不被破坏。