一种全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置及测试方法与流程

本发明属于粘接接头辅助冲击性能测试技术领域，特别涉及一种全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置及测试方法。

背景技术：

碳纤维增强树脂基复合材料作为先进复合材料的一种，以其比强度高、比模量高等优越性能，广泛应用于航空航天、机械制造、汽车、能源等不同领域，并发展成为主承载工程材料。复合材料主要通过胶粘剂进行连接，而复合材料和胶粘剂对冲击损伤较敏感，在服役过程中极易产生冲击损伤，这些损伤可能导致结构件承载能力下降而提前失效。

随着复合材料应用领域的扩大，对复合材料结构的抗冲击性能要求不要断提高，结构除承受外物冲击引起的动载荷外，还受环境的影响。复合材料构件承受各种冲击载荷的同时，也会受到不同温度场环境的影响，环境中如昼夜温差、季节温差、区域温差等影响材料的力学性能。然而，层压复合材料在低温和高温下的断裂特性与机理比室温下的要复杂得多，随着温度的变化，复合材料的极限抗拉强度、抗拉初始弹性模量、屈服应变和极限延伸率呈不同的上升或下降趋势，纤维增强复合材料强度也随之变化，从而对复合材料结构造成安全隐患。

复合材料粘接结构在受到一定冲击载荷后，其结构强度还能否达到使用要求与乘客的生命安全息息相关，因此非常有必要对粘接结构的动态冲击性能进行研究。粘接结构的抗冲击性能往往通过复合材料粘接接头的动态冲击测试进行验证分析，并且复合材料承受的应力状况和所处的环境是决定复合材料冲击失效过程的关键，因此有必要全面了解纤维增强复合材料在不同温度场下的动态冲击行为。

现有的冲击试验机也能对粘接接头进行动态冲击测试，但是存在明显的缺陷和不足：①现有的冲击试验机难以实现粘接接头沿轴向方向的冲击测试，且沿轴向冲击测试过程中粘接接头容易受到弯矩和扭矩的影响。②复合材料粘接结构在实际受到冲击时，会伴随着温度的影响，且影响非常显著，因此需要测试粘接接头在全服役温度区间内的动态冲击性能。③虽然也可在环境箱内进行力学冲击测试，但是需要空间非常大的环境箱，并且人员很难在箱内特殊环境中操作，不仅影响实验进程，且消耗人力物力。④实验过程中，受到试验装置质量和摩擦力的影响，冲击试验机作用到粘接接头的冲击力会有损耗，从而影响试验的可靠性。

为了更好的测试粘接接头全服役环境区间内的冲击力学性能，对粘接接头进行不同温度条件下的冲击测试，有必要发明一种粘接接头的离线式辅助冲击测试装置及测试方法，适合全服役温度区间内的粘接接头冲击测试，对粘接接头进行不同温度场下的离线冲击测试，测试粘接接头在不同温度环境下的动态冲击性能。

技术实现要素：

本发明的目的之一是针对现有粘接接头动态冲击试验装置的缺陷，提供了一种全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置，其能够在粘接接头的轴向进行冲击测试，并且能够实现在环境箱之外对粘接接头进行全服役温度区间内的动态冲击测试。

本发明的目的之二是提供一种全服役温度区间内粘接试件冲击测试方法，其能够在环境箱之外完成全服役温度区间内的粘接接头冲击测试试验，得到粘接接头在不同温度环境下的动态冲击性能。

本发明提供的技术方案为：

一种全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置，包括：

第一固定板；

第二固定板，其与所述第一固定板平行设置；

多个固定杆，其两端分别固定连接所述第一固定板和所述第二固定板；

受冲击板，其设置在所述第一固定板外侧；

受力板，其设置在所述第一固定板及所述第二固定板之间，所述受力板与所述受冲击板平行；

多个支撑轴，其分别可移动的穿过所述第一固定板，所述支撑轴的两端分别固定连接所述受冲击板和所述受力板；

多个弹力绳，所述弹力绳的一端固定连接在所述支撑轴上，另一端固定连接在所述固定杆上；

导向轴，其可移动的穿过所述第二固定板，所述导向轴的一端固定连接在所述受力板上；

力传感器，其固定安装在所述第一固定板上；

第一连接件，其一端与所述力传感器铰接；

粘接试件，其一端与所述第一连接件的另一端铰接；

第二连接件，其一端与所述粘接试件的另一端铰接；

位移传感器，其固定安装在所述受力板上，所述位移传感器与所述第二连接件的另一端铰接；

多个非接触式测温装置，其布设在所述固定杆的周围，用于测量所述粘接试件的温度；

温度信号接收装置，其接收所述非接触式测温装置检测到的温度；

冲击试验机，其接收所述力传感器和所述位移传感器检测得到的载荷和位移信息；

其中，所述冲击试验机上设有冲击头，并通过所述冲击头向所述受冲击板施加冲击力。

优选的是，所述粘接试件包括粘接接头和固定设置在所述粘接接头两端的夹持装置；所述粘接试件通过所述夹持装置与所述第一连接件及所述第二连接件铰接。

优选的是，所述夹持装置包括第一夹持板和第二夹持板；

其中，所述第一夹持板和所述第二夹持板相对固定连接在所述粘接接头的两侧。

优选的是，所述第二固定板上设有直线轴承，所述导向轴匹配设置在所述直线轴承中。

优选的是，所述受冲击板的外侧设有冲击凹槽，所述冲击头在所述冲击凹槽处施加冲击力。

优选的是，所述第一连接件的两端分别设有第一销孔和第二销孔，并通过所述第一销孔与所述力传感器铰接，通过所述第二销孔与所述夹持装置铰接：

其中，所述第一销孔与所述第二销孔的轴线相互垂直；

所述第二连接件与所述第一连接件的结构相同，并与所述第一连接件对称设置。

一种全服役温度区间内粘接试件冲击测试方法，采用所述的全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置，包括如下步骤：

步骤一、设定全服役温度区间[tmin～tmax]，在所述全服役温度区间内设定多个测试温度；

步骤二、选取测试温度，将粘接试件放入环境箱内，并根据所述测试温度将环境箱内的温度调整到th，直到粘接接头的温度恒定；

th＝ti+δp×t；

其中，ti为测试温度，δp为粘接接头与环境的热交换率，t为设定值，t≥5min；

步骤三、对粘接接头进行冲击试验，在测试温度ti作用下，通过冲击试验机施加冲击速率vj，得到粘接接头在温度ti和冲击速率vj作用下的冲击断裂载荷fij，并得到粘接接头的失效强度σij；

其中，fij为粘接接头的冲击断裂载荷；a为粘接接头的粘接面积。

优选的是，在所述步骤一中，设定的测试温度为：

其中，m为所述全服役温度区间划分成的区间数；tmin为全服役温度区间的最低温度，tmax为全服役温度区间的最高温度。

优选的是，粘接接头与环境的热交换率为：

其中，p1为粘接接头从环境箱取出时的温度，p2为粘接接头在环境箱外静置δt时间后的温度。

优选的是，在所述步骤三之后，还包括通过数据处理，得到温度、冲击速率及失效强度之间的二次多项式回归方程：

s＝a0+a1u+a2t+a11u²+a22t²+a12ut；

式中，s代表接头失效强度，u代表冲击速率，t代表温度，a0，a1，a2，a11，a22，a12代表二次多项式拟合参数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过离线加载的方式进行冲击测试，测试不同服役温度环境下粘接接头的冲击性能，通过该方法测试粘接接头在全服役温度区间内的动态冲击性能，得到任意温度和冲击载荷作用下的力学冲击参数，基于该力学冲击参数能够对复合材料粘接结构进行强度校核。

(2)本发明通过高低温湿热环境箱将粘接接头加热或冷却，拿出环境箱后通过非接触式红外测温探头实时测量粘接接头表面温度，待接头表面温度达到试验温度时进行冲击测试；不需要在环境箱内进行力学冲击测试，既降低了设备成本又收到节能的效果，方便操作并保证了实验数据的可靠性。

(3)本发明提供的全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置，活动框架通过弹力绳悬吊在固定框架中央，活动框架下部通过直线轴承约束，冲击试验机的半球形冲击头撞击受冲击板的半球形凹槽，施加竖直向下冲击载荷，实验过程中冲击能量传递到粘接接头的能量损耗小，冲击载荷基本作用在粘接接头，保证了试验的可靠性。

(4)本发明提供的全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置，可对粘接接头施加沿轴向方向的冲击载荷，且在冲击试验过程中只受轴向方向的力，避免了弯矩和扭矩的影响，能够有效测试粘接接头沿轴向方向的动态冲击特性。

(5)本发明提供的全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置，通过固定螺钉将粘接接头与粘接接头夹持装置连接，冲击载荷直接作用到粘接接头夹持装置上，避免粘接接头的薄板变形或损坏对实验结果造成影响。

附图说明

图1为本发明所述的全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置与冲击试验机配合示意图。

图2为本发明所述的固定框架结构示意图。

图3为本发明所述的活动框架结构示意图。

图4为本发明所述的全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置总体结构示意图。

图5为本发明所述的粘接接头连接部结构示意图。

图6为本发明所述的粘接试件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-6所示，本发明提供了一种全服役温度区间内粘接试件冲击测试装置，主要包括粘接接头固定装置100及非接触式红外测温装置200。

如图1所示，所述粘接接头固定装置100及非接触式红外测温装置200与冲击试验机300配合使用。粘接接头固定装置100包括固定框架、活动框架及粘接接头连接部。

如图2所示，固定框架主要由上固定板111、下固定板112和多个固定杆113组成。其中，上固定板111和下固定板112平行设置，固定杆113的两端与上固定板111和下固定板112垂直固定连接。在本实施例中，上固定板111和下固定板112分别采用三角形板，固定杆113为3个，分别连接在上固定板111和下固定板112的三个顶角处；使固定框架整体形成直三棱柱结构，结构受力稳定。上固定板111上均布3个通孔111a，用于配合安装活动框架。下固定板112中心设有一个通孔112a，用于安装直线轴承。

如图3所示，活动框架主要由受冲击板121、受力板122和支撑轴123组成，其中，受冲击板121和受力板122平行设置，支撑轴123与受冲击板121和受力板122垂直，支撑轴123的两端分别与受冲击板121和受力板122固定连接。在本实施例中，受冲击板121和受力板122分别采用三角形板，支撑轴123为3个，分别连接在受冲击板121和受力板122的三个顶角处；使活动框架整体形成直三棱柱结构，结构受力稳定。受冲击板121的上端面的中心处设有半球形凹槽121a，冲击试验机300的球形冲击头310撞击到凹槽121a时，给活动框架向下的冲击力。

所述粘接试件冲击测试装置的总体结构如图4所示，活动框架的支撑轴123分别从上固定板111上的通孔111a中穿过，其中，通孔111a的孔径大于支撑轴123的外径，使支撑轴123能够在通孔111a中上下移动。下固定板112的通孔112a中安装直线轴承131。受力板122的下侧竖直固定安装导向轴132，导向轴132为光轴，导向轴132与直线轴承131匹配安装，构成活动框架的导向机构。

如图4-6所示，粘接接头连接部设置在活动框架和固定框架之间，其包括力传感140，第一连接件150、夹持装置160、粘接接头170、第二连接件180及位移传感器190。其中，力传感器140安装在上固定板111的下侧中心处；第一连接件150为u形连接件，其上端通过销轴与力传感器140铰接；粘接接头170的两端分别固定设置有夹持装置160，以防止冲击测试过程中粘接接头基材被破坏，夹持装置160包括第一夹持板161和第二夹持板162；进行冲击测试时，冲击载荷直接作用到第一夹持板161和第二夹持板162上，避免粘接接头170的薄板变形或损坏对测试结果造成影响。第一夹持板161上设有与粘接接头170相匹配的凹槽部，粘接接头170的一端嵌入所述凹槽部中，合理设置第一夹持板161和第二夹持板162的尺寸，令粘接接头170的胶层位于中间位置，这样粘接接头170的胶层才不会受到弯矩和扭矩的影响。第一夹持板161和第二夹持板162通过固定螺钉163与粘接接头170固定连接；粘接接头170上端的夹持装置160与第一连接件150通过销轴铰接；第二连接件180为u形连接件，其与第一连接件150对称设置，第二连接件180的上端与粘接接头170下端的夹持装置160通过销轴铰接；位移传感器190安装在受力板122的上侧中心处，位移传感器190的下端穿过受力板122与导向轴132相连，第二连接件180的下端与位移传感器190通过销轴铰接。

作为进一步的优选，第一连接件150和第二连接件180的上、下两个销孔轴线方向相互垂直，形成类万向节结构，使粘接接头受冲击时只受到沿轴向方向的冲击力，避免受弯矩和扭矩的影响。

支撑轴123上开设内螺纹孔，通过锁紧螺钉123a将弹力绳123b的一端连接到支撑轴123上，弹力绳123b另一端连接在固定杆113的上端，通过3根弹力绳123b将活动框架悬吊在固定框架中央。

测试前通过调整弹力绳123b，将活动框架悬吊在固定框架中央，当冲击试验机300的球形冲击头310撞击受冲击板121时，由于导向轴132受直线轴承131的约束，活动框架竖直向下运动，冲击载荷通过受力板122、位移传感器190、第二连接件180传递到粘接接头170。测试过程中，由于力传感器140、位移传感器190与粘接接头170串联连接，能够直接测试粘接接头沿轴向方向的载荷和位移变形量，减小其他连接件对实验数据干扰。

在固定框架的周围布置多个非接触式红外测温装置200，用于检测粘接接头170表面的温度。在本实施例中，固定框架的周围布置4个非接触式红外测温装置200，非接触式红外测温装置200的探头直接照射到粘接接头170的表面，并且探头与温度信号接收装置210连接，通过温度信号接收装置210实时记录探头测得的值，并对4个非接触式红外测温装置200测得的值取平均值，并显示在温度信号接受装置210的屏幕上。力传感器140和位移传感器190与冲击试验机300的端口相连，冲击试验机300工作时能接收力传感器140和位移传感器190测试得到的载荷和位移信息。当温度信号接收装置210显示温度达到设定温度时，对粘接接头170进行冲击试验，测得粘接接头170在任意温度时的动态冲击试验数据。

本发明还提供了一种全服役温度区间内粘接接头冲击测试方法，包括如下步骤：

(1)针对车辆服役环境中的温度区间范围，建立粘接接头的全服役温度区间，定义服役温度区间范围为[tmin～tmax]，对服役温度区间划分m个区间，设定温度测试温度为：

其中，m为所述全服役温度区间划分成的区间数；tmin为全服役温度区间的最低温度，tmax为全服役温度区间的最高温度；

即取tmin、共m+1个点，作为测试温度。

(2)使用粘接夹具对粘接接头进行粘接固化，粘接接头制备好后，通过固定螺钉将粘接接头与第一夹持板、第二夹持板连接组成粘接试件。

(3)根据公式计算粘接接头与环境的热交换率；

其中，p1为粘接接头从环境箱取出时的温度，p2为粘接接头在环境箱外静置δt时间后的温度；

(4)选取测试温度，将粘接试件放入环境箱内，并根据所述测试温度将环境箱内的温度调整到th，直到粘接接头的温度恒定；

th＝ti+δp×t；

其中，ti为测试温度，δp为粘接接头与环境的热交换率，t为设定值；统计得到粘接试件从高低温湿热环境箱中拿出到加载到粘接试件冲击测试装置的时间小于5min，为避免粘接试件在进行冲击测试前温度降低到测试温度以下，设置t值为：t≥5min；

(5)对粘接接头进行冲击试验，在每个测试温度ti作用下，通过冲击试验机施加不同的冲击速率vj，得到粘接接头在温度ti和冲击速率vj作用下的冲击断裂载荷fij，并得到粘接接头的失效强度σij。

其中，fij为粘接接头的冲击断裂载荷；a为粘接接头的粘接面积；

(6)建立接头失效强度与温度、冲击速率之间的数学模型，得到温度、冲击速率及失效强度之间的二次多项式回归方程：

s＝a0+a1u+a2t+a11u²+a22t²+a12ut；

式中，s代表接头失效强度，u代表冲击速率，t代表温度，a0，a1，a2，a11，a22，a12代表二次多项式拟合参数。

下面以具体实施过程为例，对本发明提供的全服役温度区间内粘接接头冲击测试方法进行进一步说明：

(1)复合材料车身服役温度一般在-40℃～+80℃之间，定义服役温度区间为[-40℃～+80℃]，从服役温度区间中提取-40℃、-10℃、20℃、+50℃、+80℃共5个温度测试点。

(2)粘接接头的基材为碳纤维增强复合材料和铝合金，选取环氧树脂胶粘剂。使用粘接夹具对粘接接头进行粘接固化，粘接接头制备好后，通过固定螺钉将粘接接头与第一夹持板、第二夹持板连接组成粘接试件。

(3)根据粘接接头刚从高低温湿热环境箱取出时温度100℃和在环境箱外静置300s后温度降为70℃，计算得到粘接接头与环境的热交换率为0.1℃/s。

(4)建立全服役温度区间内的温度测试点后，对粘接接头进行不同温度测点条件下的力学冲击测试。当冲击试验选取试验温度80℃时，先将粘接试件放于高低温湿热环境箱内，根据公式th＝ti+δp×t(取t＝5min)，计算将箱内温度调整到110℃，静置2h时间后待试件温度恒定后拿出，立刻加载到冲击测试装置，通过销轴与第一连接件及第二连接件连接。

(5)在测试装置周围布置4个非接触式红外测温探头，探头直接照射到粘接接头的表面，通过温度信号接收装置实时记录探头测得的温度值。当4个非接触式红外测温探头监测平均温度达到80℃时，立刻通过冲击试验机对粘接接头进行冲击试验，测试得到粘接接头在温度80℃测试点时的力学冲击测试数据。

(6)对粘接接头进行冲击试验，选择试验温度条件为：-40℃、-10℃、+20℃、+50℃、+80℃，选择冲击速率为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s，对接头进行不同温度和冲击速率下的力学冲击试验，得到粘接接头的失效强度，如表1所示：

表1粘接接头失效强度表

(7)通过上述方法得到不同温度和冲击速率条件下对粘接接头失效强度数据后，采用响应面分析法中的中心复合旋转实验方法，借助matlab软件进行响应面分析，通过选取二阶多项式回归模型，建立接头失效强度与温度、冲击速率之间的数学模型，得到温度、冲击速率及失效强度之间的二次多项式回归方程：

s＝12.86+0.75u-0.077t+0.013u²+7.94×10^-6t²-3.98×10^-3ut；

式中，s代表接头失效强度，u代表冲击速率，t代表温度；

通过温度、冲击速率及失效强度之间的二次多项式回归方程，能够预测粘接接头在服役温度区间内任意温度和冲击速率作用下的力学冲击性能，从而基于该力学冲击性能对复合材料粘接结构进行强度校核。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。