一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹具和方法
【专利摘要】本发明公开了一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置和方法，包括绝缘立柱和引雷针，在绝缘立柱的顶部设有上绝缘板，绝缘立柱的底部设有下绝缘板，绝缘立柱的中间凹槽内设有试样夹持机构；所述上绝缘板的中心设有通孔，引雷针的一端由通孔穿过上绝缘板，伸入到待测试样的上方；所述下绝缘板上设有导轨，绝缘立柱可沿导轨移动，并可通过固定装置将绝缘立柱固定在导轨的任意位置；所述试样夹持机构包括一端穿过绝缘立柱侧边通孔的导柱，导柱的另一端与金属条螺纹连接，所述金属条与绝缘立柱的凹槽内壁之间设有弹性装置。本发明的夹持装置可用于带机械连接件的试样以及不同尺寸、不同接地方式的试样雷击试验。
【专利说明】一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹具和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹具和方法，具体涉及一种用于带机械连接件的纤维增强复合材料结构件的人工模拟雷击试验的夹具和方法。
【背景技术】
[0002]纤维增强复合材料由于其可以比肩金属材料的力学性能而又质轻的优势在航空航天、汽车以及其他运输制造业中得到越来越广泛的应用。特别地，飞机结构中复合材料的用量在过去的30年中稳定增长。随着复合材料在二类结构(整流罩和雷达罩等)中的应用，其性能的研究得到了广泛的关注。波音787以及空客A350-XWB中复合材料的用量超过飞机重量的50%，包括在主要的承力结构件上的应用量。碳纤维复合材料在飞机结构设计上除了有其在力学性能(强度、模量、抗疲劳)上直接的优势外，还在人们越来越关注的机舱环境、燃油经济性以及维护费用等方面能够为人们带来间接的受益。总之，碳纤维复合材料在高效能结构设计方面有着巨大的潜力。但基于复合材料构件的大量使用而其导电、导热性能差的现状，早在1977年美国国家运输安全委员会向美国民用飞机管理部门、制造商以及政府研究部门提出要关注飞机遭受雷击问题。近年来，飞机复合材料构件的防雷击问题得到了新的关注。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》部署了大型飞机、探月飞行、载人航天等16个国家重大专项，并在“前沿技术”里强调了材料技术的结构功能复合化、制备和使用过程绿色化发展等，这就从国家需求和材料科学发展两个层面提出了发展先进复合材料技术的必要性、迫切性和前沿性。因此，开展人工模拟雷击环境下纤维增强复合材料的雷击损伤实验研究，对于促进碳纤维增强树脂基复合材料实现在大飞机上的广泛应用，具有重大的现实意义。
[0003]人工模拟雷击实验内容主要是研究高强度电流流经复合材料所产生的效应以及复合材料表面雷击附着点周围的雷击效应。为了完成实验，能够产生高压电弧的雷电发生器是必要的。雷电发生器能够产生满足SAE标准的各种模拟实验电流波形。
[0004]在飞机结构设计中，虽然结构的整体性始终是设计者追求的目标，但是结构连接是不可避免的。随着整体化结构的应用，构件和紧固件数量大大减少，然而尚存的连接传递的载荷更大，因此也就更为关键。连接部位通常是结构的薄弱环节，这样研究连接部位在遭遇雷击过程中的性能表现就更为关键。另外，铆钉等机械连接件是金属材料，往往是雷电的附着点，所以诸如此类带铆钉等金属机械连接件的复合材料结构件更是关注的重点，其损伤机理以及损伤测试更加贴近实际，需要深入研究。
[0005]同时，带金属连接件的试样与单一平板件相比，其接地方式不能再将连接件贯穿的上下面进行接地处理，否则雷电流将沿着金属连接件到下表面的接地电极流走，必须改为四周侧面接地。
[0006]为了满足特定的带机械连接件(铆钉等)的试样以及不同尺寸、不同接地方式的试样的测试要求，设计一种可靠、方便的人工模拟雷击实验的材料夹持装置显得十分必要。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置和方法，可用于带机械连接件的试样以及不同尺寸、不同接地方式的试样雷击试验。
[0008]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，包括绝缘立柱和引雷针，在绝缘立柱的顶部设有上绝缘板，绝缘立柱的底部设有下绝缘板，绝缘立柱的中间凹槽内设有试样夹持机构；所述上绝缘板的中心设有通孔，引雷针的一端由通孔穿过上绝缘板，伸入到待测试样的上方，引雷针的另一端与人工雷电发生设备相连，且在构成的回路中连接有冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；所述下绝缘板上设有导轨，绝缘立柱可沿导轨移动，并可通过固定装置将绝缘立柱固定在导轨的任意位置；所述试样夹持机构包括一端穿过绝缘立柱侧边通孔的导柱，导柱的另一端与金属条螺纹连接，所述金属条与绝缘立柱的凹槽内壁之间设有弹性装置。
[0010]所述引雷针穿过上绝缘板的部分套有胶套，通过胶套固定引雷针穿过上绝缘板的长度；
[0011]所述绝缘立柱通过沉头螺栓固定在下绝缘板的导轨上；
[0012]所述导柱为双头螺柱；
[0013]所述金属条为可作为电极的铜条、铁条或铝条；
[0014]所述弹性装置为弹簧；
[0015]所述弹性装置与绝缘立柱的凹槽内壁之间设有垫片；
[0016]所述绝缘立柱，上、下绝缘板均采用环氧树脂、酚醛树脂或玻纤增强的尼龙66材料等绝缘材料；
[0017]所述胶套采用的是硅胶弹性体或聚氨酯弹性体等耐热弹性体；
[0018]所述弓I雷针采用的是导电和导热性良好的纯铜材料。
[0019]本发明的人工模拟雷击试验夹持装置可用于不同尺寸的带机械连接件的试样的雷击试验，也可用于不同尺寸的单一平板试样的雷击试验。
[0020]所述带机械连接件的试样包括带金属铆钉、螺栓、盲紧固件或环槽铆钉连接的试样。
[0021]采用所述的装置用于不同尺寸的带机械连接件的试样的雷击试验，包括以下步骤:
[0022](I)准备试验装置
[0023](1-1)根据试样尺寸，调整夹持试样两侧绝缘立柱的距离，然后通过固定装置将绝缘立柱固定在下绝缘板的导轨上；
[0024](1-2)将试样四周打磨，涂覆银胶后粘接一层金属箔；
[0025](1-3)压缩立柱凹槽内的弹簧，将待测试样嵌在两侧凹槽中的金属条之间，弹簧始终处于压缩状态以保证试样侧表面与两侧金属条紧密接触；
[0026](1-4)将外径稍大于上绝缘板通孔的胶套嵌入上绝缘板，再将引雷针插入胶套内，可上下调整插入深度；
[0027](1-5)将上绝缘板搭在绝缘立柱上，调整引雷针与试样的机械连接件的相对位置；
[0028](1-6)利用绝缘立柱两侧伸出的导柱通过螺栓连接接地铜线来实现试样侧表面接地；
[0029](1-7)连接雷击发生器与引雷针；
[0030](1-8)在回路中接入测量仪表，包括:冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；
[0031](1-9)进行雷击测试；
[0032](2)调整参数，记录实验数据。
[0033]采用所述的装置用于不同尺寸的单一平板试样的雷击试验，包括以下步骤:
[0034](I)准备试样装置
[0035](1-1)在下绝缘板上放置接地铜板，并且根据试样尺寸调整两侧绝缘立柱的相对位置；
[0036](1-2)将无机械连接件的单一平板待测试样的下表面涂覆一层银胶并粘接一层金属箔，并放置在接地铜板上；
[0037](1-3)将上绝缘板搭在绝缘立柱上；
[0038](1-4)将胶套嵌入上绝缘板的中心通孔后，安装引雷针并利用定距块来调整引雷针和试样上表面的相对位置；
[0039](1-5)将接地铜板接地，引雷针与雷电发生器相连；
[0040](1-6)在回路中接入测量仪表，包括:冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；
[0041](1-7)进行雷击测试；
[0042](2)调整参数，记录实验数据。
[0043]本发明的有益效果:
[0044](I)本发明的纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，其绝缘立柱能够沿着底板导轨自由移动并且可靠固定，可满足多尺寸以及多种接地方式的待测试样的雷击试验的需要；
[0045](2)本发明的雷击试验夹持装置特别适用于带铆钉等机械连接件的试样。当装置用于试样侧边接地时，试样夹持机构中的弹簧可以很好地保证接地铜条与试样紧密接触，试样在受到雷电冲击时不会失稳从试验台上跌落。
[0046](3)本发明的雷击试验夹持装置在对带机械连接件的试样进行雷击试验时，采用的是试样通过夹持机构两端侧面接地，避免了雷电流沿着金属连接件到下表面的接地电极流走，满足了带机械连接件的试样所需的侧边接地的特定接地方式，补充完善了雷击试样装置对于多种接地方式需求的空白。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]图1为本发明的纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置结构示意图；
[0048]其中，1.绝缘立柱，2.弹簧，3.螺母，4.双头螺柱，5.垫片，6.沉头螺栓，7.下绝缘板，8.铆钉，9.待测试样，10.双头螺柱，11.铜条，12.上绝缘板，13.胶套，14.引雷针。【具体实施方式】
[0049]结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
[0050]如图1所示，一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，包括绝缘立柱I和引雷针14，在绝缘立柱I的顶部设有上绝缘板12，绝缘立柱I的底部设有下绝缘板7，绝缘立柱I的中间凹槽内设有试样夹持机构；所述上绝缘板12的中心设有通孔，引雷针14的一端由通孔穿过上绝缘板12，伸入到待测试样9的上方，引雷针14的另一端与人工雷电发生设备相连，且在构成的回路中连接有冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；所述下绝缘板7上设有导轨，绝缘立柱I可沿导轨移动，并可通过沉头螺栓6将绝缘立柱I固定在导轨的任意位置；所述试样夹持机构包括一端穿过绝缘立柱I侧边通孔的双头螺柱，双头螺柱的另一端与铜条螺纹连接，所述铜条与绝缘立柱I的凹槽内壁之间设有弹簧2，弹簧2与凹槽内壁之间还设有垫片5。其中，绝缘立柱1、上绝缘板12、下绝缘板7均采用环氧树脂材料；胶套13采用的是硅胶弹性体；引雷针14采用的是导电和导热性良好的纯铜材料。
[0051]另外，在进行雷击试验时，所采用的人工雷电发生器为:冲击电压发生器SJTU-3000kv ；
[0052]采用的冲击电流测试系统为某高电压实验室自行开发的测试系统。
[0053]当测试试样为带机械连接件的试样时，此处以带铆钉的试样为例，进行雷击测试所采取的步骤如下:
[0054](I)准备试验装置
[0055](1-1)根据带铆钉的试样尺寸，调整夹持试样侧面的两个绝缘立柱之间的距离，然后通过沉头螺栓将绝缘立柱固定在下绝缘板的导轨上；
[0056](1-2)将试样四周打磨，涂覆银胶后粘接一层金属箔；
[0057](1-3)压缩立柱凹槽内的弹簧，将待测试样嵌在两侧凹槽金属条之间，弹簧始终处于压缩状态以保证试样侧表面与两侧金属条紧密接触；
[0058](1-4)将外径稍大于上绝缘板通孔的胶套嵌入上绝缘板，再将引雷针插入胶套内，可上下调整插入深度；
[0059](1-5)将上绝缘板搭在绝缘立柱上，调整引雷针与试样的相对位置；
[0060](1-6)利用绝缘立柱两侧伸出的导柱通过螺栓连接接地铜线来实现试样侧表面接地；
[0061](1-7)连接雷击发生器与引雷针；
[0062](1-8)在回路中接入测量仪表，包括:冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；
[0063](1-9)进行雷击测试；
[0064](2)调整参数，记录实验数据。
[0065]当待测试样为单一平板试样时，进行雷击测试所采取的步骤如下:
[0066](I)准备试样装置
[0067](1-1)在下绝缘板上放置接地铜板，并且根据试样尺寸调整两侧绝缘立柱的相对位置；[0068](1-2)将无机械连接件的单一平板待测试样的下表面涂覆一层银胶并粘接一层金属箔，然后放置在接地铜板上；
[0069](1-3)将上绝缘板搭在绝缘立柱上；
[0070](1-4)将胶套嵌入上绝缘板的中心通孔，然后安装引雷针并利用定距块来调整引雷针和试样上表面的相对位置；
[0071](1-5)将接地铜板接地，引雷针与雷电发生器相连；
[0072](1-6)在回路中接入测量仪表，包括:冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；
[0073](1-7)进行雷击测试；
[0074](2)调整参数，记录实验数据。
【权利要求】
1.一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，其特征在于，包括绝缘立柱和引雷针，在绝缘立柱的顶部设有上绝缘板，绝缘立柱的底部设有下绝缘板，绝缘立柱的中间凹槽内设有试样夹持机构；所述上绝缘板的中心设有通孔，引雷针的一端由通孔穿过上绝缘板，伸入到待测试样的上方，引雷针的另一端与人工雷电发生设备相连，且在构成的回路中连接有冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器；所述下绝缘板上设有导轨，绝缘立柱可沿导轨移动，并可通过固定装置将绝缘立柱固定在导轨的任意位置；所述试样夹持机构包括一端穿过绝缘立柱侧边通孔的导柱，导柱的另一端与金属条螺纹连接，所述金属条与绝缘立柱的凹槽内壁之间设有弹性装置。
2.如权利要求1所述的一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，其特征在于，所述引雷针穿过上绝缘板的部分套有胶套，通过胶套固定引雷针穿过上绝缘板的长度。
3.如权利要求1所述的一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，其特征在于，所述绝缘立柱通过沉头螺栓固定在下绝缘板的导轨上。
4.如权利要求1所述的一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，其特征在于，所述导柱为双头螺柱，金属条为铜条、铁条或铝条，弹性装置为弹簧。
5.如权利要求1所述的一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，其特征在于，所述弹性装置与绝缘立柱的凹槽内壁之间设有垫片。
6.如权利要求1所述的一种纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置，其特征在于，所述绝缘立柱，上、下绝缘板均采用环氧树脂、酚醛树脂或玻纤增强的尼龙66材料；所述胶套采用的是硅胶弹性体或聚氨酯弹性体，引雷针采用的是导电和导热性良好的纯铜材料。
7.权利要求1至6任一项所述的纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置在带机械连接件的试样的雷击试验中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，应用的方法如下: (1)准备试验装置 (1-1)根据试样尺寸调整夹持试样两侧绝缘立柱的距离后，通过固定装置将绝缘立柱固定在下绝缘板的导轨上； (1-2)将试样四周打磨，涂覆银胶后粘接一层金属箔； (1-3)压缩立柱凹槽内的弹簧，将待测试样嵌在两侧凹槽金属条间，弹簧始终处于压缩状态以保证试样侧表面与两侧金属条紧密接触； (1-4)将外径稍大于上绝缘板通孔的胶套嵌入上绝缘板，再将引雷针插入胶套内，可上下调整插入深度； (1-5)将上绝缘板搭在绝缘立柱上，调整引雷针与试样的相对位置； (1-6)利用绝缘立柱两侧伸出的导柱通过螺栓连接接地铜线来实现试样侧表面接地； (1-7)连接雷击发生器与引雷针； (1-8)在回路中接入测量仪表，包括:冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器； (1-9)进行雷击测试； (2)调整参数，记录实验数据。
9.权利要求1所述的纤维增强复合材料的人工模拟雷击试验夹持装置在单一平板试样的雷击试验中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，应用的方法如下: (1)准备试样装置 (1-1)在下绝缘板上放置接地铜板，并且根据试样尺寸调整两侧绝缘立柱的相对位置； (1-2)将无机械连接件的单一平板待测试样下表面涂覆一层银胶并粘接一层金属箔后，放置在接地铜板上； (1-3)将上绝缘板搭在绝缘立柱上； (1-4)将胶套嵌入上绝缘板的中心通孔后，安装引雷针并利用定距块来调整引雷针和试样上表面的相对位置； (1-5)将接地铜板接地，引雷针与雷电发生器相连； (1-6)在回路中接入测量仪 表，包括:冲击电流测试系统、电流传感器以及示波器； (1-7)进行雷击测试； (2)调整参数，记录实验数据。
【文档编号】G01R31/00GK104020322SQ201410261623
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】贾玉玺, 董琪, 万国顺 申请人:山东大学