一种利用试验装置测验复合材料剪切强度的方法与流程

本发明涉及轻便型船舶结构用复合材料力学及工艺性能试验技术领域，特别是涉及一种利用试验装置测验复合材料剪切强度的方法。

背景技术

近几年轻便型船舶建造数量稳步增加，该船舶需要在保证船体结构强度的前提下，尽量减轻整船重量，因此复合材料得以大量运用。复合钢板主要以钢板为基材，以不锈钢、有色金属及合金为复材的轧制、爆炸、堆焊、铸造等加工方法制造的单面和双面复合钢板为多。

对于复合材料性能的检测，有粘结强度、剪切强度、结合度、弯曲、冲击、拉脱等试验项目，其中剪切强度试验因试验装置和试验方法等影响，得出的数据偏差较大。而复合材料一般用于船体结构中两种材料的结合处，起到连接和过渡作用，如果不能客观反映复合材料真实的剪切强度，使用后势必造成结合处开裂或变形，从而使产品质量面临考验。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种利用试验装置测验复合材料剪切强度的方法，能够精确、快捷的对复合材料剪切强度进行试验，客观反映复合材料真实的剪切强度，保证复合材料使用的可靠性，同时也能获得复合材料抗剪切变形曲线，可以满足多规格、批量化设计、验收复合材料时的分析需求。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种利用试验装置测验复合材料剪切强度的方法，所述试验装置包括上压板、下压板和剪切机构，所述剪切机构包括剪切支座、设置于剪切支座内部的移动挡板、固定在剪切支座端部的固定挡板、穿过固定挡板且其端部固定在移动挡板上的调节机构，

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：将上压板固定在试验机的横梁上，下压板固定在试验机的平台上，所述下压板包括凹型压板和嵌合在凹型压板内的凸型压板；

步骤2：向下移动上压板，预压下压板，使上压板与下压板分离后，上压板的下端面与下压板的上端面相平行；

步骤3：调整剪切机构，将剪切试样放置在移动挡板和剪切支座之间，使移动挡板与剪切试样之间留有0.1mm-0.15mm的间隙；所述剪切试样的顶部为外凸的圆弧形且其凸起端搁置在剪切支座上；

步骤4：将固定有剪切试样的剪切机构放置在下压板上，使剪切试样位于下压板的中间位置；

步骤5：向下移动上压板，试验机对剪切试样施加载荷，剪切试样的凸起端产生相应的变形，试验机自带的压力传感器和位移传感器分别检测剪切试样的受力载荷和变形情况，获取剪切试样的抗剪切变形曲线，当剪切试样的受力载荷达到最大值并从最大载荷点下降超过30％时，剪切试样的凸起端发生滑移或掉落，则将载荷卸除，本次试验结束。

作为优选地，所述调节机构包括调节手柄和螺杆，调节手柄的端面上设有刻度，调节手柄固定在螺杆的一端，螺杆的另一端穿过固定挡板从而固定在移动挡板上；所述固定挡板上安装有指针，指针的指尖与调节手柄的端面位于同一平面；

所述步骤3中调整剪切机构，将剪切试样放置在移动挡板和剪切支座之间的具体步骤为：

步骤3.1：逆时针转动调节手柄，调节移动挡板和剪切支座的间距，将剪切试样放置于移动挡板和剪切支座之间，所述剪切试样的凸起端搁置在剪切支座上；

步骤3.2：顺时针转动调节手柄，使移动挡板和剪切支座夹住剪切试样，三者紧密接触，倒置剪切机构后剪切试样不掉落即可，记录此时调节手柄上的指针指向的刻度值；

步骤3.3：逆时针转动调节手柄，调节移动挡板和剪切试验之间的间距，使移动挡板与剪切试样之间留有0.1mm-0.15mm的间隙。

作为优选地，所述螺杆的移动距离与调节手柄旋转的刻度格数之间的关系为其中a为调节手柄旋转的刻度格数，p为螺杆旋转的移动距离。

作为优选地，所述步骤2中预压下压板时施加的载荷为5kn～10kn。

作为优选地，所述步骤5中试验机对剪切试样施加载荷的加载速率为3mpa/s-5mpa/s。

作为优选地，所述剪切支座由座体、垂直固定在座体上的两个剪切板构成，所述座体与两个剪切板共同构成一个u型结构，移动挡板位于该u型结构的内部并可在调节机构的带动下往复移动。

作为优选地，所述剪切支座的整体维氏硬度不小于400hv，顶面维氏硬度不小于600hv，顶面与接触试样面的夹角为夹角圆弧半径小于0.1mm。

作为优选地，所述移动挡板与剪切试样之间的接触面的垂直度公差不大于0.03mm，剪切试样的接触面的粗糙度不大于0.8μm。

作为优选地，所述凹型压板的下端面为平面、上端面为凹型球面，凹型压板的下端面固定有下连接轴，下连接轴固定在试验机平台的连接孔内；所述凸型压板的下端面为凸型球面、上端面为平面，凸型压板的下端面嵌合在凹型压板内。

作为优选地，所述上压板为上端面固定有上连接轴的平面板，上压板的上连接轴固定在试验机横梁的连接孔内。

本发明的积极有益效果：

1、本发明能够精确、快捷的对复合材料剪切强度进行试验，反映出复合材料真实的剪切强度，得出精确的复合材料剪切强度，以此来验证不同材料焊接过渡层抗剪能力，不仅提供了设计基础数据，保证复合材料使用的可靠性，还有利于提高船舶建造质量。

2、试验过程中获得的复合材料抗剪切变形曲线，可反映复合材料结合面在受力情况下产生的各种应变数据，可以满足多规格、批量化设计、验收复合材料时的分析需求。

3、下压板由凹形压板和凸形压板构成，且将剪切试样的顶部设为圆弧形，当上、下压板预压时，下压板的凹形压板和凸形压板之间能够自动调整，以自动调整载荷至试样试验面的垂直位置，使试样试验面均匀受到施加的载荷，不会因载荷偏斜造成试验数据发生偏差。

4、通过在调节手柄的端面上设置刻度，在固定挡板上安装指针，通过刻度与螺杆螺距之间的关系，通过计算便可精确调整试样与剪切支座、移动挡板之间的间距，可方便、快捷、准确的对复合材料剪切强度进行试验，同样有助于提高试验数据的精度。

附图说明

为了更清楚得说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图。

图2为试验装置的结构示意图。

图3为剪切机构的俯视图。

图4为试验装置的a向侧视图。

图5为剪切试样的正视图。

图6为剪切试样的侧视图。

图7为试验装置的使用状态图。

图8为剪切试样的抗剪切变形曲线。

图中标号的具体含义为：1为上压板，2为下压板，3为凹形压板，4为凸形压板，5为剪切支座，6为固定挡板，7为调节机构，8为移动挡板，9为剪切试样，10为座体，11为剪切板，12为调节手柄，13为螺杆，14为刻度，15为指针，16为下连接轴，17为上连接轴,18为剪切试样的凸起端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合图1-图8说明本实施方式，本发明的利用试验装置测验复合材料剪切强度的方法，能够精确、快捷的对复合材料剪切强度进行试验，客观反映复合材料真实的剪切强度，保证复合材料使用的可靠性。

所述试验装置包括上压板1、下压板2和剪切机构，所述剪切机构放置在上压板1和下压板2之间，上压板1的直径等于下压板2的直径。

所述上压板1为上端面固定有上连接轴17的平面板，上压板1的上连接轴固定在试验机横梁的连接孔内，从而将上压板1固定在试验机横梁的下端。

所述下压板2分为两部分，分别为凹型压板3和嵌合在凹型压板内的凸型压板4。所述凹型压板3的下端面为平面、上端面为凹型球面，凹型压板3的下端面固定有下连接轴16，下连接轴16固定在试验机平台的连接孔内。所述凸型压板4的下端面为凸型球面、上端面为平面。凸型压板4的凸型球面的弧度与凹型压板3的凹型球面的弧度相匹配，从而使凸型压板4的下端面嵌合在凹型压板3内。

当上压板1和下压板2相向的两个面在一定载荷的作用下接触在一起时，下压板的凹型压板3和凸型压板4的凸、凹型球面会自动调整，确保上压板1和下压板2相向的两个平面完全平行。

所述剪切机构包括剪切支座5、固定挡板6、调节机构7和移动挡板8，所述固定挡板6设置在剪切支座5的端部，调节机构7穿过固定挡板6且其端部固定在移动挡板8上，移动挡板8位于剪切支座5和固定挡板6之间，剪切试样9设置在移动挡板8和剪切支座5之间。将剪切试样9放置在移动挡板8和剪切支座5之间时，应使移动挡板8与剪切试样9之间留有0.1mm-0.15mm的间隙。在本实施例中，剪切试样9的顶部为外凸的圆弧形且其凸起端18搁置在剪切支座5上，所述移动挡板8与剪切试样9之间的接触面的垂直度公差不大于0.03mm，剪切试样9的接触面的粗糙度不大于0.8μm。所述剪切支座5的整体维氏硬度不小于400hv，顶面维氏硬度不小于600hv，顶面与接触试样面的夹角为夹角圆弧半径小于0.1mm。

所述剪切支座5由座体10、垂直固定在座体上的两个剪切板11构成，所述座体10与两个剪切板11共同构成一个u型结构，移动挡板8位于该u型结构的内部并可在调节机构7的带动下往复移动。当移动挡板8向左移动时，可缩小移动挡板8和座体10之间的距离，当移动挡板8向右移动时，可增大移动挡板8和座体10之间的距离。

所述调节机构7用于调整移动挡板8在剪切支座5之间的距离，以使移动挡板8在其带动下进行往复移动(即向左移动或向右移动)。所述调节机构7包括调节手柄12和螺杆13，调节手柄12的端面上设有刻度14，在本实施例中，调节手柄12端面上的刻度将其整个圆周等分为60格。调节手柄12固定在螺杆13的一端，螺杆13的另一端穿过固定挡板6从而固定在移动挡板8上；所述固定挡板6上安装有指针15，指针15的指尖与调节手柄12的端面位于同一平面。调节手柄12顺时针或逆时针转动一格，螺杆13相应的向前或向后移动一定的距离。所述螺杆13的移动距离与调节手柄12端面上的刻度之间的关系为其中a为调节手柄旋转的刻度格数，p为螺杆旋转的移动距离。因此，可通过转动调节手柄12，调整移动挡板8与剪切支座5或剪切试样9之间的距离。

在利用试验装置对复合材料的剪切强度进行试验时，具体包括以下试验步骤：

步骤1：将上压板1固定在试验机的横梁上，即将上压板上的上连接轴17固定到试验机横梁的连接孔内。将下压板2固定在试验机的平台上，即将凹形压板上的下连接轴16固定到试验机平台的连接孔内。

步骤2：向下移动上压板1，以5kn～10kn的载荷预压下压板2，上压板1和下压板2完全贴合后，下压板2的凹形压板和凸形压板之间的凹、凸球面会自动调整，以保证上压板1与下压板2分离后，上压板1的下端面与下压板2的上端面相平行。

步骤3：调整剪切机构，将剪切试样9放置在移动挡板8和剪切支座5之间。

调整剪切机构时，首先，逆时针转动调节手柄12，调节移动挡板8和剪切支座5之间的间距，将剪切试样的凸起端18面向剪切支座5，放置于移动挡板8和剪切支座5之间，并使剪切试样的凸起端18搁置在剪切支座5上，所述剪切试样9的顶部为外凸的圆弧形；然后，顺时针转动调节手柄12，使移动挡板8和剪切支座5夹住剪切试样9，三者紧密接触，夹持力度不宜过大，只需倒置剪切机构后剪切试样9不掉落即可，记录此时调节手柄12上的指针15指向的刻度值；最后，逆时针转动调节手柄12，调节移动挡板8和剪切试验9之间的间距，使移动挡板8与剪切试样9之间留有0.1mm-0.15mm的间隙。

步骤4：将固定有剪切试样的剪切机构放置在下压板2上，使剪切试样9位于下压板2的中间位置，剪切试样9顶部的最高点居中。放置剪切机构时，不能使已预压的下压板位置发生偏移。

步骤5：向下移动上压板1，试验机以3mpa/s-5mpa/s的加载速率对剪切试样施加载荷，剪切试样9的凸起端产生相应的变形。施加载荷的过程中，试验机自带的压力传感器和位移传感器分别检测剪切试样9的受力载荷和变形情况，根据传感器检测的压力信号和位移信号获取剪切试样的抗剪切变形曲线，所述抗剪切变形曲线为剪切试样的受力载荷与凸起端变形量之间的力-位移曲线。当剪切试样的受力载荷达到最大值并从最大载荷点下降超过30％时，剪切试样的凸起端18发生滑移或掉落，则将载荷卸除，本次试验结束。按照公式计算剪切试样的剪切强度，其中τ为剪切强度，f为剪切试样所受的最大载荷，w为剪切试样的受剪面宽度，b为受剪面宽度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。