一种复合载荷试验装置及方法与流程

本发明属于结构试验加载技术，具体涉及一种用于结构静力、疲劳试验中的复合载荷试验装置及方法。

背景技术：

飞机机身壁板会同时承受剪切和气压载荷，为了研究、验证机身壁板结构的刚度和承载能力，需要进行加筋壁板的剪切和气压的复合载荷试验。目前，加筋壁板的单一剪切载荷试验通常采用对角拉的试验方法，加筋壁板的单一气压载荷试验也有现成的试验方法。

但为了进行加筋壁板的剪切和气压载荷试验，不能将两种单一载荷试验方法进行简单的组合，既要保证两种载荷能同时施加，也要避免两种载荷相互干涉，避免为试验件引入多余的约束，以准确模拟机身壁板在剪切和气压载荷下的变形场、应变场和破坏模式。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种复合载荷试验装置及方法，能对加筋壁板同时施加剪切载荷和气压载荷，并能避免两种载荷在施加的过程中相互干涉。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种复合载荷试验装置，包括剪切载荷施加组件、气压载荷施加组件以及试验件组件，其中：

所述剪切载荷施加组件与试验件组件的四周连接，剪切载荷施加组件用于通过对角拉的方式对试验件组件施加剪切载荷，并对气压载荷施加组件提供支持；所述气压载荷施加组件以软连接的方式与剪切载荷施加组件连接，剪切载荷施加组件对气压载荷施加组件提供法向力约束，气压载荷施加组件不影响试验件组件的剪切变形。

进一步地，所述剪切载荷施加组件包括剪切拉板，剪切拉板每两件作为一组，共设置四组，通过首尾连接的方式共同形成四边形结构，每一组剪切拉板上均开设有用于固定试验件组件的螺栓孔；

其中，所述四边形结构的一组对角处的相邻组剪切拉板之间通过连接螺栓连接，另一组对角处的相邻组剪切拉板之间通过轴销连接；在每一个连接螺栓处各连接一个第一双耳，两个第一双耳夹持于试验机的夹头中，通过试验机施加拉伸载荷，以实现对试验件组件的剪切加载。

进一步地，所述剪切载荷施加组件中的剪切拉板、气压载荷施加组件、试验件组件三者共同形成一个自平衡系统。

进一步地，所述试验件组件包括加强片和加筋壁板，其中加强片设置多个，分布于加筋壁板的四周，试验件组件的四个角处加工为圆角状缺口；所述加筋壁板为j型、m型、y型、z型、工型或平面结构。

进一步地，所述气压载荷施加组件包括气囊以及气囊盒，其中：

所述气囊粘贴于试验件组件的四周，气囊盒布置于气囊的外部；所述气囊盒的一侧分布有工字梁，气囊盒与工字梁均为中心轴对称结构；

在剪切拉板上分布有第二双耳，所述工字梁的两端分别通过连接拉板组件、第二双耳与试验件组件连接。

进一步地，所述气囊盒上固定有进气筒和出气筒，进气筒、出气筒的一端与气囊连接，另一端连接充气设备。

进一步地，构成所述工字梁的两槽钢间的间距大于连接拉板组件的厚度，第二双耳中间的间隙也大于连接拉板组件厚度，用于使连接拉板组件顺利安装并保证剪切载荷加载过程中连接拉板组件有足够的活动空间。

进一步地，所述连接拉板组件包括连接拉板，连接拉板上开设有一对通孔，其中一个通孔中安装有关键轴承，使连接拉板能绕关键轴承旋转；连接拉板组件用于通过第二双耳连接剪切拉板以及工字梁。

一种复合载荷试验方法，其中，剪切载荷施加方法包括：

用螺栓连接剪切拉板和试验件组件，试验件组件四周与剪切拉板的连接孔通过剪切拉板配制；

用轴销在两对角连接剪切拉板，剪切拉板两端的孔配制，并在配制试验件组件四周的螺栓孔时安装轴销；

用连接螺栓在另两对角连接试验件组件和第一双耳；

将两第一双耳分别夹持于试验机的夹头中；

对两第一双耳施加拉伸载荷，从可实现对试验件组件的剪切载荷施加。

进一步地，所述方法中，气压载荷的施加方法包括：

在试验件组件四周粘贴气囊，气囊的粘贴位置在剪切拉板的内侧，采用内翻边的方法粘贴气囊；

安装第二双耳，用螺栓将其固定于剪切拉板；

安装连接拉板组件，将关键轴承安装在连接拉板中；

将气囊盒放置在气囊上，把进气筒、出气筒引到气囊盒的外面；

用螺栓将连接拉板组件一端与第二双耳连接，另一端用螺栓与工字梁连接；

将充气设备与进气筒、出气筒连接，对气囊充气，从而实现对试验件组件气压载荷的施加。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明实现了对加筋壁板的剪切载荷和气压载荷复合加载，并克服了两种载荷在施加过程中的干涉问题，该方法的优点是载荷传递简单、清晰、明了，能保证加载的准确性，试验装置结构简单，容易实现，能在结构试验中广泛使用。

附图说明

图1为本发明的复合载荷试验装置的整体结构示意图；

图2为剪切载荷施加组件结构图；

图3为气压载荷施加组件结构图；

图4为试验件组件的结构图；

图5为气囊的结构图；

图6为气囊盒的结构示意图；

图7、图8为气囊、气囊盒以及试验件组件的结构关系图，其中图7为俯视图，图8为剖视图；

图9为连接拉板组件的结构示意图；

图中标号说明：1剪切载荷施加组件，2气压载荷施加组件，3试验件组件，101轴销，102剪切拉板，103连接螺栓，104第一双耳，201气囊，202气囊盒，203工字梁，204连接拉板组件，204a关键轴承，204b连接拉板，205第二双耳，206进气筒，207出气筒，301加强片，302加筋壁板。

具体实施方式

参见图1至图9，本发明提供的一种复合载荷试验装置，包括剪切载荷施加组件1、气压载荷施加组件2以及试验件组件3，其中：

所述剪切载荷施加组件1与试验件组件3的四周通过螺栓连接，剪切载荷施加组件1用于通过对角拉的方式对试验件组件3施加剪切载荷，并对气压载荷施加组件2提供支持；所述气压载荷施加组件2以软连接的方式与剪切载荷施加组件1连接，剪切载荷施加组件1对气压载荷施加组件2提供法向力约束，气压载荷施加组件2不影响试验件组件3的剪切变形。

参见图2，所述剪切载荷施加组件1包括剪切拉板102，剪切拉板102每两件作为一组，共设置四组，通过首尾连接的方式共同形成四边形结构，每一组剪切拉板102上均开设有用于固定试验件组件3的螺栓孔，通过螺栓与试验件组件3连接；为保证加载更均匀，试验件组件3上的螺栓孔由剪切拉板102配制。

其中，所述四边形结构的一组对角处的相邻组剪切拉板102之间通过连接螺栓103连接，另一组对角处的相邻组剪切拉板102之间通过轴销101连接；在每一个连接螺栓103处各连接一个第一双耳104，两个第一双耳104夹持于试验机的夹头中，通过试验机施加拉伸载荷，以实现对试验件组件3的剪切加载。所述剪切载荷施加组件1中的剪切拉板102、气压载荷施加组件2、试验件组件3三者共同形成一个自平衡系统。

如图4所示，所述试验件组件3包括加强片301和加筋壁板302，其中加强片301设置多个，分布于加筋壁板302的四周，用于和所述剪切拉板102配合；加强片301可选用与加筋壁板302相同的材料，加强片301的主要作用是保证加筋壁板302在四周连接区足够的挤压强度。加筋壁板302可以是图中的j型加筋壁板302，也可以是其它类型的加筋壁板302，如m型、y型、z型、工型等，也可以是平面壁板。试验件组件3四个角按图示切除，加工为圆角状缺口，并根据连接螺栓103的尺寸对试验件组件3倒圆，保证连接螺栓103在安装过程中与试验件组件3不发生干涉。

如图3所示，所述气压载荷施加组件2包括气囊201以及气囊盒202，其中：

所述气囊201粘贴于试验件组件3的四周，气囊盒202布置于气囊201的外部；气囊201可选择气密性较好的气球布；气囊201、气囊盒202和试验件组件3的位置关系见图7。所述气囊盒202的一侧分布有工字梁203，工字梁203可采用两个槽钢并用两个钢板焊接而成，气囊盒202与工字梁203可通过焊接成一体，气囊盒202与工字梁203均为中心轴对称结构；在剪切拉板102上分布有第二双耳205，第二双耳205通过螺栓固定于剪切拉板102上，所述工字梁203的两端分别通过连接拉板组件204、第二双耳205与试验件组件3连接。由于工字梁203与气囊盒202是一体的，用此方法便将气囊盒202与试验件组件3连接起来。构成所述工字梁203的两槽钢间的间距大于连接拉板组件204的厚度，第二双耳205中间的间隙也大于连接拉板组件204厚度，用于使连接拉板组件204顺利安装并保证剪切载荷加载过程中连接拉板组件204有足够的活动空间。所述气囊盒202上固定有进气筒206和出气筒207，进气筒206、出气筒207的一端与气囊201连接，另一端连接充气设备，从而实现气压载荷的施加。

在气压载荷施加组件2中，气囊201粘接于加筋壁板302的四周，选用的胶需考虑气囊201和加筋壁板302的材料特性及胶接性能，并在粘接过程采用恰当的粘接工艺，如打磨、清洗、胶的用量等，以保障有足够的粘接强度；与气囊201连接的进气筒206和出气筒207的几何尺寸主要考虑与充气设备的对接。

参见图6，由于气囊201在充压过程中把载荷都传给气囊盒202，气囊盒202因此会膨胀，气囊盒202的顶面会发生大的弯曲变形，与气囊盒202连接的三根工字梁203的主要作用是增大刚度，避免气囊盒202的顶面在加载过程中发生过大的变形。为了使气囊201把气压载荷都传给气囊盒202，因此气囊201需足够大，保证气囊201在气压载荷加载过程中具有足够的余量伸展。

如图8所示，连接拉板组件204用于通过第二双耳205连接剪切拉板102以及工字梁203；所述连接拉板组件204包括连接拉板204b，连接拉板204b上开设有一对通孔，其中一个通孔中安装有关键轴承204a，使连接拉板204b能绕关键轴承204a旋转，保证了剪切拉板102仅对气囊盒202提供法向的力约束，使得试验件组件3在受剪切载荷作用时气囊盒202不会发生剪切变形。

为了保证试验的顺利进行，试验装置中的所有部件必须具有足够的刚度和强度。各部件的具体尺寸依据试件的尺寸、刚度、强度以及试验载荷要求等进行详细的设计。

基于上述技术方案，本发明还提供一种剪切载荷施加方法，包括：

通过对角拉的方法实施对试验件组件3剪切加载，四组剪切拉板102通过螺栓固定于试验件组件3的四周，其中两对角用轴销101连接，另外两对角用连接螺栓103连接试验件组件3和第一双耳104，对两第一双耳104施加拉伸载荷，从而实现对试验件组件3的剪切载荷施加，具体可按如下步骤进行：

1)用螺栓连接剪切拉板102和试验件组件3，为了使得试验过程中试验件组件3载荷分布更均匀，试验件组件3四周与剪切拉板102的连接孔通过剪切拉板102配制；

2)用轴销101在两对角连接剪切拉板102，为了保证安装精度，剪切拉板102两端的孔配制，并在配制试验件组件3四周的螺栓孔时安装轴销101；

3)用连接螺栓103在另两对角连接试验件组件3和第一双耳104；

4)将两第一双耳104分别夹持于试验机的夹头中；

5)对两第一双耳104施加拉伸载荷，从可实现对试验件组件3的剪切载荷施加。

基于上述技术方案，本发明还提供一种气压载荷施加方法，包括：

剪切拉板102、试验件组件3、气囊201、气囊盒202、连接拉板组件204及第二双耳205构成气压载荷的平衡系统，充气设备与进气筒206、出气筒207连接，对气囊201充气，实现对试验件组件3气压载荷的施加。具体可按如下步骤进行：

1)在试验件组件3四周粘贴气囊201，气囊201的粘贴位置在剪切拉板102的内侧，采用内翻边的方法粘贴气囊201；

2)安装第二双耳205，用螺栓将其固定于剪切拉板102；

3)安装连接拉板组件204，将关键轴承204a安装在连接拉板204b中；

4)将气囊盒202放置在气囊201上，把进气筒206、出气筒207引到气囊盒202的外面；

5)用螺栓将连接拉板组件204一端与第二双耳205连接，另一端用螺栓与工字梁203连接；

6)将充气设备与进气筒206、出气筒207连接，对气囊201充气，从而实现对试验件组件3气压载荷的施加。

针对于能对加筋壁板302同时施加剪切载荷和气压载荷、并能避免两种载荷在施加的过程中相互干涉的技术问题，本发明的基本思路是先按对角拉的壁板试验方法为试验件设计剪切夹具：用螺栓连接试验件四边的两侧的剪切拉板102，在四个对角处各剪切拉板102的孔同心，且对角处的孔较其它孔大，在其中一对角处用轴销101将各剪切拉板102连接，另一对角处配一对第一双耳104，并用连接螺栓103把第一双耳104和剪切拉板102连接起来，把大第一双耳104夹持于试验机的夹头中，试验机施加拉伸载荷，实现对试验件剪切载荷的施加。

在试验件组件3的四周(同时在四周剪切拉板102的内侧)粘贴气囊201，气囊201与试验件形成封闭空间，并为气压载荷的施加留有进气筒206和出气筒207各1个。气囊201的外侧为气囊盒202，气囊201把气压载荷传给气囊盒202。气囊盒202与试验件一侧的工字梁203通过连接拉板组件204-第二双耳205的方式连接，连接拉板组件204中装有关键轴承204a，消除气囊盒202对试验件除法向载荷外的其它约束，使得气囊盒202相当于浮在试验件的上面，避免了气囊盒202对试验件剪切变形的影响，从而实现了对试验件的剪切载荷和气压载荷的联合施加。

以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。