一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验装置及试验方法与流程

本发明涉及复合材料疲劳试验技术领域，具体涉及一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验装置及试验方法。

背景技术：

目前，在节能减排的发展大趋势下，汽车车身的轻量化显得越来越重要，因而复合材料在车身中的应用也越来也广泛。复合材料车身预埋件是车身复合材料的一种重要的连接形式，在复合材料车身中有着大量的应用，因此复合材料预埋件连接点的安全可靠性能对于汽车来说是非常重要的。疲劳破坏是各类零件与结构中最为常见破坏形式之一，疲劳性能也是各零件与结构的重要性能指标，是各零件与结构安全性校核所必不可少的一项环节。汽车零部件所处的工况较为多变，服役温度范围大，温度变化区间为-40℃至80℃，而复合材料力学性能对温度有敏感性，低温与高温下的复合材料粘接结构的静载性能可达到两倍差距，而复合材料预埋件在较高温度下力学性能也会有衰减。因此，对于复合材料车身预埋件进行考虑温度影响的疲劳性能试验是非常必要的。

针对车身预埋件试验，本团队已经提出一种复合材料车身预埋件强度试验夹具发明专利，专利号为zl201510523716.4，该专利可实现对于车身预埋件进行复杂强度试验，但其局限性在于只能在常温下进行静力力学试验，无法考虑温度变化对预埋件力学性能影响。

技术实现要素：

本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验装置，能够对复合材料车身预埋件进行在线加热或制冷，试验温度变化对预埋件力学性能影响。

本发明还提供了一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验试验方法，通过选取的几个典型温度便可得到选取各温度下的s-n曲线与数据点，将所得数据点拟合之后便可得到不同温度下的车身预埋件疲劳性能。

本发明提供的技术方案为：一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验装置，包括：

预埋件，其与待测的复合材料板一体化成型；

温度控制模块，其夹持所述复合材料板，所述温度控制模块包括加热模块与制冷模块，根据试验环境温度选择性的安装温度模块；

其中，当环境温度高于标准温度时，复合材料板夹持在加热模块之间；

当环境温度低于标准温度时，复合材料板夹持在制冷模块之间；

传力杆，其一端与所述预埋件转动连接，另一端与疲劳试验机的一侧钳口固定连接；

连接底座，所述连接底座为u型底座，底端为倒t型，并且，所述温度模块设置在所述连接底座内；

导轨，其设置在所述连接底座下方，所述连接底座的底端可滑动地设置在所述导轨内，所述导轨的底端固定在电子万能试验机的下钳口。

优选的是，

所述加热模块包括上加热板和下加热板；

其中，所述上加热板和所述下加热板中心设置第一开口，所述第一开口内设置所述预埋件；

所述制冷模块包括上制冷夹板和下制冷夹板；

其中，所述上制冷模块和所述下制冷夹板中心设置第二开口，所述第二开口内设置所述预埋件。

优选的是，

所述上加热夹板侧面设置上加热夹板接口，所述下加热夹板侧面设置下加热夹板接口；

所述上制冷夹板侧面设置上制冷夹板进气接口，所述下制冷夹板侧面设置下制冷夹板进气接口。

优选的是，

支撑垫板，其设置在所述上加热夹板和所述下加热夹板之间或在所述上制冷夹板和所述下制冷夹板之间；

表面温度传感器，其设置在所述预埋件根部。

优选的是，

所述下加热夹板的厚度大于所述上加热夹板的厚度；

所述下制冷夹板的厚度大于所述上制冷夹板的厚度。

优选的是，

所述上加热夹板和所述下加热夹板均为铸铝电热板。

优选的是，

所述上制冷夹板和所述下制冷夹板均为空心腔体，并且所述进气接口外接液氮存储罐。

优选的是，

所述上制冷夹板和所述下制冷夹板上分别设置出气孔。

一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验方法，包括如下步骤：

步骤一、将待试验预埋件在不同的试验环境温度下进行试验，将所述试件及夹具在所述环境温度中放置2小时；

步骤二、在不同的试验环境温度下进行疲劳试验，得到不同环境温度ti及不同疲劳强度pj下的实验点(sij,nij)，并且可分别作出不同环境温度ti下的疲劳曲线；其中，i＝1,2,3...,n，j＝1,2,3...,m，sij为对应温度ti和疲劳强度pj下的疲劳应力，nij对应温度ti和疲劳强度pj下的疲劳寿命；以及

在不同的试验环境温度下进行疲劳试验，得到不同环境温度ti及不同疲劳强度pj下的实验点(ti,sij,nij)，并基于最小二乘法对数据点进行拟合，得到不同环境温度ti下的温度疲劳曲面，以及得到与所述曲面对应的函数关系；

优选的是，

所述步骤二中，测试时，采取温度从低到高、疲劳强度从高到低的顺序进行疲劳试验，并采用选取阶梯法试验。

本发明所述的有益效果：

1、本发明提供了一种考虑温度影响的复合材料车身预埋件疲劳试验的辅助装置，该装置能够对复合材料车身预埋件进行在线加热或制冷，使试件温度达到设定温度，并保持设定温度通过疲劳试验机进行疲劳试验。

2、本发明提供了一种复合材料车身预埋件全服役温度区间内疲劳试验的方法，利用插值与数据拟合的思想，通过选取的几个典型温度便可得到选取各温度下的s-n曲线与数据点，将所得数据点拟合之后便可得到不同温度下的车身预埋件疲劳性能。

3、本发明所提供的复合材料车身预埋件疲劳试验的辅助装置中采用了制冷与加热两种夹板，可对复合材料车身预埋件温度进行在线加热或制冷，在较高温度试验时选用加热夹板，在低温试验时使用制冷夹板，所使用的温度控制结构简单、体积小、价格低廉、安装使用方便。

4、本发明所提供的复合材料车身预埋件疲劳试验的辅助装置，利用普通疲劳试验机便可进行考虑温度影响的疲劳试验，避免了使用特制疲劳试验环境箱，大大降低了装置的复杂程度与成本。

附图说明

图1为本发明的所述复合材料车身预埋件疲劳试验辅助装置中加热模块部分的结构示意图。

图2为本发明的所述复合材料车身预埋件疲劳试验辅助装置中制冷模块部分的结构示意图。

图3为本发明中所述复合材料车身预埋件疲劳试验辅助装置中装有加热模块时的示意图。

图4为本发明中所述复合材料车身预埋件疲劳试验辅助装置中装有制冷模块时的示意图。

图5为本发明所述复合材料车身预埋件疲劳试验辅助装置中制冷夹板结构图。

图6为实施例中所得t-s-n曲面图。

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1-4所示，本发明提供一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验装置，其中温度控制模块，其主要包括：加热模块、制冷模块，表面温度传感器等，复合材料板与预埋件一体化成型并且设置在所述固定装置中，并且根据试验环境温度选择性的安装温度模块；当试验温度高于标准温度时，复合材料板夹持在加热模块之间；当试验温度低于标准温度时，复合材料板夹持在制冷模块之间；

传力杆140的一端与所述预埋件转动连接，另一端与疲劳试验机的一侧钳口固定连接。连接底座100，其为u型底座，底端为倒t型，并且，所述温度模块设置在所述连接底座100内。在连接底座100内部两侧设置支撑平台，温度模块设置在支撑平台上方。导轨130设置在所述连接底座100下方，所述连接底座100的底端可滑动地设置在所述导轨130内，所述导轨130的底端固定在疲劳试验机的下钳口。

传力杆140顶端固定在疲劳试验机的上钳口，传力杆件1能够随着疲劳试验机的上钳口而上下移动。预埋件150一般是金属制成的，其底座在成型之前嵌入复合材料板，然后一体化成型。

所述加热模块110包括上加热板111和下加热板112，两者通过固定螺栓及螺母103固定；其中，所述上加热板111和所述下加热板112中心设置第一开口，所述第一开口内设置所述预埋件150；

所述制冷模块120包括上制冷夹板121和下制冷夹板122，两者通过固定螺栓及螺母103固定；其中，所述上制冷模块121和所述下制冷夹板122中心设置第二开口，所述第二开口内设置所述预埋件150。

所述上加热夹板111侧面设置上加热夹板接口113，所述下加热夹板112侧面设置下加热夹板接口114。所述上制冷夹板121侧面设置上制冷夹板进气接口123，所述下制冷夹板122侧面设置下制冷夹板进气接口124。加热夹板外接电源与控制器，制冷夹板外接液氮喷嘴与控制器。

四个支撑垫板101设置在所述上加热夹板111和所述下加热夹板112之间的四个角处或在所述上制冷夹板121和所述下制冷夹板122之间的四个角处。

稳定垫板105为长矩形且与隔热板同厚度，设置在下隔热板中间，用以在疲劳试验时，避免由于下隔热板而产生减震效果影响疲劳试验的精确性。

表面温度传感器102设置在所述预埋件根部。

所述下加热夹板112厚度大于所述上加热夹板111的厚度；所述下制冷夹板122厚度大于所述上制冷夹板121的厚度。用以在疲劳试验中给预埋件下方留出足够空间。

所述上加热夹板和所述下加热夹板均为铸铝电热板。形状如图5所示，加热夹板从对应接口处与外部的控制器相连，从而实现对预埋件试件的加热与温度控制。

使用了两个隔热板(上隔热板104和下隔热板106)分别安置于上下夹板的上下部(上隔热板104设置在上加热夹板111上部或上制冷夹板121上部，下隔热板106设置在下加热夹板112下部或下制冷夹板122下部)，用以减少温度损失，提高保温效果，其中所述上隔热板与上夹板形状相同，下隔热板为与夹板同等大小矩形并空除放置稳定垫块的位置。

制冷模块中的制冷夹板为(如图5所示)空心腔体，外接液氮存储罐，由电磁阀控制经进气口缓慢喷入雾化液氮至制冷板内部，氮气由制冷板后部设置的出气孔排出，从而实现降低制冷板温度进而实现对试件制冷的效果。

加热夹板与制冷夹板为相互替换元件，根据试验条件来选择性装配于所述试验装置中。

本发明还提供一种全服役温度区间复合材料车身预埋件疲劳试验方法，包括如下步骤：

步骤一、将所要试验预埋件作为试件，选择不同的试验环境温度，将所述试件及夹具在所述环境温度中放置2小时；

步骤二、在不同的试验环境温度下进行疲劳试验，得到不同环境温度ti及不同疲劳强度pj下的实验点(sij,nij)，并且可作出特定温度ti下的疲劳曲线；其中，i＝1,2,3...,n，j＝1,2,3...,m，sij为对应温度ti和疲劳强度pj下的疲劳应力，nij对应温度ti和疲劳强度pj下的疲劳寿命；

步骤三、将温度与各对应的一些列实验点结合得到新的数据点(ti,sij,nij)，并基于最小二乘法对数据点进行拟合，得到温度疲劳曲面与对应的函数关系式。

所述全服役温度区间内的复合材料车身预埋件疲劳性能试验方法中，在进行数据拟合时，可使用matlab软件，通过curvefittingtool对所获得数据进行拟合，从而得到所需曲面与关系式，数据处理简单方便易操作。

具体而言，步骤一包括：根据试验温度选择加热夹板或者制冷夹板，将所要试验预埋件安装在复合材料车身预埋件疲劳试验辅助装置中并将表面温度传感器粘贴至预埋件根部，将加热夹板或液氮电磁阀与温度传感器接入外部控制器，并用螺栓将其固定于底座之上，将所述装置安装在疲劳试验机下钳口，疲劳试验机上钳口连杆通过销轴与预埋件连接。

通过阶梯法进行疲劳试验，首先选取一个试件在设定温度下测取其静态拉伸屈服强度r0，设定为第0级应力水平，并设定第1级应力水平r1＝0.95r0，第2级应力水平r2＝0.95r1，以此类推。

在应力水平r0下进行第1个试样试验，该试样在达到指定寿命n＝10⁷次循环之前发生了破坏，于是第2根试样就在应力大小低一级的应力水平r1下进行试验，如果前一根试样经10⁷次循环没有破坏，则随后的一根试样要在应力大小高一级的应力水平下进行，直到完成一组16个试件为止。在不同温度下重复进行试验，并记录相应的实验数据ti，sij，nij。

步骤e：对试验数据进行组合得到各点(ti,sij,nij)，对得到的各点(ti,sij,nij)利用matlab软件基于最小二乘法进行数据拟合，从而得到温度疲劳曲面与函数关系式。

具体的，根据试验要求温度，选择使用的温度模块，本实例中选取玻璃纤维复合材料预埋件进行试验。由本实例试验温度要求先使用制冷夹板后使用加热夹板。

将上隔热板置于上制冷夹板之上，下隔热板与稳定垫块置于下制冷夹板之下，与稳定垫块同夹于下制冷夹板与传统加载部分中的底座之间，将预埋件夹装固定于上制冷夹板与下制冷夹板之间，支撑垫块与预埋件同夹在上下夹板之间并置于四角处，由固定螺栓及螺母将上述部件固定于传统加载部分上，并将表面温度传感器粘贴于预埋件根部，将液氮存储罐的电磁阀喷嘴接入制冷夹板进口，并将电磁阀和温度传感器与外部控制器相连，最后将装置与疲劳试验机下钳口相连，疲劳试验机上钳口与预埋件销连接，通过控制器设定试验温度，在预埋件温度稳定之后便可进行试验并记录数据。

低温试验结束后，夹入预埋件之前，将制冷夹板更换为加热夹板并通过加热夹板接口将其连接至控制器即可进行较高温度试验。

根据试验条件，通过控制器对疲劳试验温度进行设定。由车身服役温度范围，选取试验温度分别为-40°、-10°、20°、50°、80°，为避免频率过高导致预埋件产生温度上升，通过疲劳试验机设定疲劳加载频率为3hz，载荷比为-1。通过阶梯法分别测取各温度下的数据值，并与温度组合成数据点(n,s,t)，利用matlab中的cftool工具，基于最小二乘法对数据进行拟合，便得到t-s-n的拟合曲面(如图6所示)与方程式，(r²为0.89)如下所示：

t＝f(n,s)＝p00+p10n+p01s+p20n²+p11ns+p02n²

其中：coefficients(with95％confidencebounds):

p00＝49.03(-164.5,262.6)

p10＝0.1476(-1.02,1.315)

p01＝0.6331(-0.5014,1.768)

p20＝0.00326(0.001353,0.005168)

p11＝-0.003456(-0.00656,-0.0003516)

p02＝-0.001564(-0.003063,-6.428e-05)

由此便可得到任意服役温度下复合材料车身预埋件的疲劳特性。

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。