用于双轴力学测试的十字型试样及其制备方法与应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于双轴力学测试的十字型试样及其制备方法与应用，属于复合材料双轴加载试验【技术领域】。该试样整体呈十字型，具有四个加载臂，每个加载臂均设置有加载臂空心区（2），加载臂末端为加载臂夹持端（1），相邻加载臂的根部之间设有过渡区；四个加载臂根部之间为试样中心区，试样中心区的中间区域为中心试验区（6），中心试验区（6）与加载臂根部之间设有减薄过渡区（5）。本发明结构简单，便于实现，满足中心试验区应力水平较高且均匀的同时，十字型试样圆弧过渡倒角处的应力集中现象较弱，更易实现中心试验区的双轴应力状态及保证初始破坏发生在中心试验区。
【专利说明】用于双轴力学测试的十字型试样及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于双轴力学测试的十字型试样及其制备方法，属于复合材料复杂载荷测试领域。
【背景技术】
[0002]纤维增强复合材料作为目前工程中应用最为广泛的复合材料，越发获得航空航天领域的青睐。随着各种先进复合材料的开发和应用，纤维增强复合材料在承力结构中的应用比重越来越大，使得复合材料承受的应力状态也越来越复杂。因此，对纤维增强复合材料的强度特性，特别是双轴应力或多轴应力状态下的破坏特性的研究也越发必要，以保证纤维增强复合材料结构在使用中的安全。
[0003]目前复合材料单轴性能测试技术较为成熟，一般只需通过某一个加载方向进行加载，即可获得材料的单轴力学性能，常见的复合材料单轴测试标准可参见GB/T 1447-2005(静态拉伸性能测试)及GB/T 16779-2008 (拉-拉疲劳性能测试)等。而纤维增强复合材料双轴性能测试方法则无任何标准可以遵循。
[0004]传统的双轴加载试样多为管型试样，其优点在于可以组合内/外压、拉/压、扭转等多种应力状态，试验方法多样化；但其缺点主要是试验加工及夹持较为困难，应力状态需要通过相应计算方可得到，实际测试时不易控制测试参数。目前较为流行的试样类型为面内双轴加载试样，其优点在于应力状态直观获得，夹持简单，机械加工容易等。但由于复合材料本身结构的各向异性及其较弱的机加工特性，导致双轴测试结果并不理想。
[0005]国内由于实验条件的限制，对面内双轴加载试样双轴加载问题还没有进行较多的研究。到目前为止，仅对复合材料试样简单双轴载荷下的合理性和有效性作过一些简要分析和试验，对于性能稳定、双轴应力状态特征明显的十字型试样及其制作与试验方法并未取得良好的进步与发展。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于双轴力学测试的十字型试样及制备方法及应用，实现均匀稳定的双轴测试应力状态，结构简单，制作工艺便于实施且避免了机械加工造成的试样内部损伤。
[0007]本发明可以通过以下技术方案来实现:
一种用于双轴力学测试的十字型试样，其特征在于，该试样整体呈十字型，具有四个加载臂，每个加载臂均设置有加载臂空心区，加载臂末端为加载臂夹持端，相邻加载臂的根部之间设有过渡区，该过渡区由锥形过渡区及圆弧过渡倒角构成；
四个加载臂根部之间为试样中心区，试样中心区的中间区域为中心试验区，中心试验区(6)与加载臂根部之间设有减薄过渡区。
[0008]一种用于双轴力学测试的十字型试样的制备方法，其特征在于包括以下过程:
I)准备好两个带有十字型试样形状的对称凹模，对称凹模内部均设置十字型试样形状的槽，槽的深度为十字型试样厚度的一半，对称凹模设有锁紧装置；
2)将每层纤维材料裁剪成试样形状，分别铺放在两个模具中，逐层刷好胶液，纤维布完全铺好后将两个模具合在一起，锁紧，挤出多余胶液，60°C热处理12小时后固化，冷却后起模，将多余的粗糙毛边修去，即可得十字型试样。
[0009]一种用于双轴力学测试的十字型试样的应用，其特征在于包括以下过程:
将此十字型试样四个加载臂夹持端夹持到双轴加载设备的四个夹头上，并通过控制双轴加载设备的操作系统进行需要的双轴加载试验，进行双轴加载试验的主要步骤如下:
1)将十字型试样中心试验区上下两面中心贴上应变片以备采集应变数据，通过数据采集线连接应变采集仪及计算机；
2)控制双轴加载设备四个夹头停至适当位置，将十字型试样夹持端放于试验机夹头内，依次同时夹紧相邻两个加载臂夹持端，确保试样中心位置与试验机中心点重合；
3)采用负荷控制或位移控制方式，设置加载速率，均匀加载，并定时采集应变；进行双轴疲劳加载测试，需设定载荷谱，输入双轴试验机，双轴同时加载，并定时采集应变数据。
[0010]本发明采用加载臂空心区结构及锥形过渡区结构可实现载荷放大传递的作用，使得十字型试样中心试验区应力水平较高且趋于均匀，圆弧过渡倒角使锥形过渡交界处趋于平滑，减小应力集中效应。中心试验区利用了中心区减薄技术，使中心试验区应力水平高于其他区域，进而使得初始破坏发生在中心试验区；采用减薄过渡区结构，使加载臂夹持端施加的载荷较为均匀的传递到中心试验区，同时降低减薄区交界面的应力集中。
[0011]本发明利用一次固化成型技术制作十字型试样，避免了二次成型或成型后机械铣薄而造成的初始损伤或分层。
[0012]本发明实现了中心区应力均匀且应力水平较高的双轴加载十字型试样，测试性能稳定，可实现各种比例的双轴静态拉伸或压缩加载及拉-拉、拉-压、压-压双轴疲劳加载情况；结构简单，成型工艺简单易行，成型模具可反复使用，降低试验成本。
[0013]一种用于双轴力学测试的十字型试样，其特征在于，加载臂空心区位于加载臂的对称轴线上，呈长条形，靠近中心区的一端呈半圆形。该结构可有效增强十字型试样中心区应力水平，减弱其他区域的应力集中。
[0014]一种用于双轴力学测试的十字型试样，其特征在于，该十字型试样由纤维布及聚合物基体混合层叠而成，每层材料按照一定的铺层方向层合，中心区上下两面对称减薄，形成中心试验区层板厚度小于加载臂及过渡区层板厚度。该成型制作方法简单易行，且一次固化成型便可实现试样制作，节约制作时间，降低了试验成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的成型模具上模示意图；
图3为本发明的成型模具下模示意图；
图4为本发明的成型模具装配示意图；
图中各标号名称:1、加载臂夹持端，2、加载臂空心区，3、锥形过渡区，4、圆弧过渡倒角，
5、减薄过渡区，6、中心试验区。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图，通过实施例的方式，对本发明进行详细说明:
一种用于双轴力学测试的十字型试样，其特征在于，该试样整体呈十字型，具有四个加载臂，每个加载臂均设置有加载臂空心区2，加载臂末端为加载臂夹持端1，相邻加载臂的根部之间设有过渡区，该过渡区由锥形过渡区3及圆弧过渡倒角4构成；
四个加载臂根部之间为试样中心区，试样中心区的中间区域为中心试验区6，中心试验区6与加载臂根部之间设有减薄过渡区5。
[0017]加载臂有四个，成十字交叉型对称结构，包括夹持端I及加载臂空心区2，加载臂空心区2位于加载臂的对称轴线上，呈长条形，靠近中心区的一端呈半圆形，起增强中心区应力水平作用。
[0018]过渡区位于每个加载臂与中心区之间，包括锥形过渡区3及圆弧过渡倒角4，锥形过渡区3起应力传递及放大的作用，圆弧过渡倒角4降低应力集中效应。
[0019]中心区位于整个试样的中心位置，处于加载臂及过渡区的旋转及对称中心，包括减薄过渡区5及中心试验区6，减薄过渡区5位于十字型试样中心上下两面对称分布，呈方形，四周带有圆角，中心试验区6形状与其类似，属于材料双轴应力状态测试区域。
[0020]十字型试样通过两个带有十字型试样形状的对称模具一次性加压固化成型，60°C热处理12小时后起模修边而成。该十字型试样的制作工艺如下:
1)清理模具，并将上下两个模具(如图2、图3所示)上涂抹低温油脂，按照凹模形状剪好聚酯塑料薄膜，贴在模具上；
2)按十字型试样形状剪裁好纤维布；
3)配制好胶液；
4)分别在上下两个凹模内对称铺贴纤维布，并逐层刷好胶液，铺层顺序采用[0° /45。/-45。/90° ]n;
5)纤维布及胶液完全铺贴好后，将上下两个凹模组合到一起如图4所示)，通过螺帽拧紧，从四周的出胶槽挤出多余胶液；
6)将整个模具放入高温环境箱，60°C热处理12小时后取出，冷却至室温后脱模，去除粗糖毛边。
[0021]至此，即可得可用于双轴加载的纤维增强复合材料十字型试样。
[0022]将此十字型试样四个加载臂夹持端夹持到双轴加载设备的四个夹头上，并可通过控制双轴加载设备的操作系统进行需要的双轴加载试验。进行双轴加载试验的主要步骤如下:
1)将十字型试样中心试验区上下两面中心贴上应变片以备采集应变数据，通过数据采集线连接应变采集仪及计算机；
2)控制双轴加载设备四个夹头停至适当位置，将十字型试样夹持端放于试验机夹头内，依次同时夹紧相邻两个加载臂夹持端，确保试样中心位置与试验机中心点重合；
3)可以采用负荷控制或位移控制方式，设置加载速率，均匀加载，并定时采集应变；若进行双轴疲劳加载测试，需设定载荷谱，输入双轴试验机，双轴同时加载，并定时采集应变数据。
【权利要求】
1.一种用于双轴力学测试的十字型试样，其特征在于， 该试样整体呈十字型，具有四个加载臂，每个加载臂均设置有加载臂空心区(2)，加载臂末端为加载臂夹持端(1)，相邻加载臂的根部之间设有过渡区，该过渡区由锥形过渡区(3)及圆弧过渡倒角(4)构成； 四个加载臂根部之间为试样中心区，试样中心区的中间区域为中心试验区(6)，中心试验区(6)与加载臂根部之间设有减薄过渡区(5)。
2.根据权利要求1所述的用于双轴力学测试的十字型试样，其特征在于，上述加载臂空心区(2)位于加载臂的对称轴线上，呈长条形，靠近中心区的一端呈半圆形。
3.根据权利要求1所述的用于双轴力学测试的十字型试样，其特征在于，该十字型试样由纤维布及聚合物基体混合层叠而成，每层材料按照一定的铺层方向层合，中心区上下两面对称减薄，形成中心试验区层板厚度小于加载臂及过渡区层板厚度。
4.根据权利要求1所述的用于双轴力学测试的十字型试样的制备方法，其特征在于包括以下过程: 1)准备好两个带有十字型试样形状的对称凹模，对称凹模内部均设置十字型试样形状的槽，槽的深度为十字型试样厚度的一半，对称凹模设有锁紧装置； 2)将每层纤维材料裁剪成试样形状，分别铺放在两个模具中，逐层刷好胶液，纤维布完全铺好后将两个模具合在一起，锁紧，挤出多余胶液，60°C热处理12小时后固化，冷却后起模，将多余的粗糙毛边修去，即可得十字型试样。
5.权利要求1所述的用于双轴力学测试的十字型试样的应用，其特征在于包括以下过程:将此十字型试样四个加载臂夹持端夹持到双轴加载设备的四个夹头上，并通过控制双轴加载设备的操作系统进行需要的双轴加载试验，进行双轴加载试验的主要步骤如下: 1)将十字型试样中心试验区上下两面中心贴上应变片以备采集应变数据，通过数据采集线连接应变采集仪及计算机； 2)控制双轴加载设备四个夹头停至适当位置，将十字型试样夹持端放于试验机夹头内，依次同时夹紧相邻两个加载臂夹持端，确保试样中心位置与试验机中心点重合； 3)采用负荷控制或位移控制方式，设置加载速率，均匀加载，并定时采集应变；进行双轴疲劳加载测试，需设定载荷谱，输入双轴试验机，双轴同时加载，并定时采集应变数据。
【文档编号】G01N3/08GK104236974SQ201410473320
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】蔡登安, 周光明 申请人:南京航空航天大学