一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具及其使用方法与流程

本发明属于机械工程技术领域，涉及一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具及其使用方法。

背景技术：

航空、航天、汽车、能源等机械工程领域中经常采用板状部件，在装配过程中或实际使用过程中，可能会产生装配的应力或工作应力。以航空领域最为常见的飞机为例，其机翼蒙皮大面积使用板件构型部件，这些部件在组装的过程中就存在装配应力，这种装配应力的一种通常表现形式就是压缩应力。此外，飞机在飞行过程中，机翼必然要承受气动力的作用，即使是在停放的过程中，机翼也会受到重力作用，使机翼下蒙皮承受压缩应力的作用。在这种承受压缩应力作用的情况下，飞机各部位板件结构可能经受冲击载荷、湿热环境、紫外线等外界环境的作用。因此板件结构在这种压缩应力作用时承受冲击载荷、湿热环境、紫外线等外界环境的作用，必然和无应力作用下的情况不同，例如对于飞机上大量应用复合材料结构，冲击载荷、湿热环境和紫外线等环境因素对复合材料结构性能的影响是十分显著的。为了研究这种在压缩应力作用下板件受冲击载荷、湿热环境、紫外线等外界环境的作用，我们需要一种可以对板件长期施加压缩应力的夹具以便于进行相应研究，而现有的试验夹具通过试验机对板件施加长期压缩应力，操作不便且占用试验机时间长。

此外，无论是航空、航天、汽车、能源等其他工程领域，板状结构承受的一种常见的载荷形式就是压缩载荷，为了了解相应结构的压缩承载能力，我们需要对板件开展压缩破坏试验，即对板件提供短期的压缩应力，此时便需要一种能够开展板件压缩破坏试验的夹具。因此，开发一种既能短期施加压缩应力又能长期施加压缩应力的试验夹具是非常有必要的，目前的试验夹具不能适用于不同尺寸的板件导致其普适性较差。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具，以解决现有试验夹具不能同时实现长期施加压缩应力以及短期施加压缩应力的问题，现有的试验夹具对试验件进行长期施加压缩应力时需要长期占用试验机的问题，以及现有试验夹具不能适用于不同尺寸的板件使其普适性差的问题。

本发明实施例的另一目的在于提供一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具的使用方法。

本发明实施例所采用的技术方案是，一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具，包括试验底座、两个侧板、顶板和试验顶座，所述试验底座上设置有底板和两个底板限位板，底板位于试验底座的中心位置，两个底板限位板均与试验底座固定连接，且两个底板限位板分别位于底板的前后两侧并与底板紧密接触；

所述试验件置于底板的中心位置处，两个侧板底部均与底板固定连接，且两个侧板分别与试验件的左右两侧一一对应紧密相贴，试验件的高度大于侧板的高度；顶板位于试验件上方并与其顶部紧密相贴，且顶板通过承力螺栓与两个侧板的顶部固定连接，试验顶座位于顶板的上方并与顶板十字交叉固定连接；

所述试验底座安装在试验机底部夹头上，所述试验顶座安装在试验机顶部夹头上。

本发明实施例所采用的另一技术方案是，一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具的使用方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤s1、安装底板限位板和底板使得底板中心线和试验底座的中心线重合，以保证在施加指定压缩载荷的过程中压缩应力穿过试验件的形心且不产生弯矩；

步骤s2、将试验件竖直置于底板上，使试验件位于底板的顶部中心位置并垂直于底板，保证在初始施加指定压缩应力时压缩应力能够通过试验件的形心而不产生弯矩；

步骤s3、依据试验件的厚度将滑动底板安装在底板上，并依据试验件的宽度将侧板安装在底板上并一一对应在试验件左右两侧，然后将滑动侧板安装在侧板上，使滑动底板、侧板和滑动侧板均与试验件紧密接触，并使侧板的底面中心线和试验底座的顶面中心线重合，保证压缩过程中试验件和底板不产生相对滑动；

步骤s4、将滑动顶板安装在顶板底部，使得试验件位于顶板底面中心位置以保证在初始施加指定压缩应力时压缩应力能够通过试验件的形心，然后依据试验件的厚度调整滑动顶板的位置使滑动顶板紧贴试验件，并通过承力螺栓连接顶板和侧板；

步骤s5、将顶板的中心线和与顶板十字交叉固定连接的试验顶座的中心线重合以保证在施加指定压缩载荷的过程中压缩应力穿过试验件的形心而不产生弯矩，然后将顶板限位板安装在试验顶座底部，并使两个顶板限位板与顶板紧密接触；

步骤s6、将试验底座的底座夹持端夹持在试验机的固定端，试验顶座的顶座夹持端夹持在试验机的加载端，试验底座和试验顶座安装至试验机时需要保证压缩载荷通过试验件的形心，确保压缩过程中对试验件不存在弯矩和扭矩；

步骤s7、通过试验机给试验件加载指定的压缩应力，当对试验件施加到指定压缩应力后，拧紧承力螺栓并断开试验机的压缩应力，试验夹具自发对试验件长期施加压缩应力。

本发明实施例的有益效果是，提出一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具，不需要长期借助外力，可以依靠自身的结构设计达到对板件自发的长期施加压缩应力的目的，通过承力螺栓限制顶板和底板的分离（承力螺栓、顶板和底板综合连接），实现长期保持压缩应力，即能够长期自发的给试验件施加压缩应力，能够为研究在压缩应力作用下的板件冲击试验、湿热环境试验以及紫外线暴露等试验提供理想的试验夹具，解决了现有的试验夹具对试验件进行长期施加压缩应力时需要长期占用试验机的问题。同时其也可以用于短期施加压缩应力的试验，为压缩静强度破坏试验提供理想的夹具，解决了现有试验夹具不能同时实现长期施加压缩应力以及短期施加压缩应力的问题。另外，通过第一条形孔~第四条形孔可以调节滑动底板、侧板、滑动侧板和滑动顶板的位置，使得该试验夹具能够适用于不同三维尺寸的板件结构，具备普遍适应性，并保障在施加压缩应力作用下，板件在压缩过程中自身不产生失稳现象，解决了现有试验夹具不能适用于各型尺寸的板件使其普适性差的问题。

附图说明

为了更清楚地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是本发明实施例的对板件长期施加压缩应力的试验夹具的立体图。

图2是本发明实施例的对板件长期施加压缩应力的试验夹具的正视图。

图3是本发明实施例的试验底座的底部结构示意图。

图4是本发明实施例的底板的结构示意图。

图5是本发明实施例的滑动底板的结构示意图。

图6是本发明实施例的侧板的立体图。

图7是本发明实施例的顶板的底部结构示意图。

图8是本发明实施例的滑动顶板的底部结构示意图。

图9是本发明实施例的试验顶座的结构示意图。

图中，1.试验底座，2.底板，3.底板限位板，4.滑动底板，4-1.第一条形孔，5.侧板，5-1.l型板，5-2.三角板，5-3.第一螺纹孔，5-4.第二条形孔，5-5.第三条形孔，6.滑动侧板，7.顶板，7-1.第二螺纹孔，7-2.固定通孔，8.滑动顶板，8-1.第四条形孔，9.顶板限位板，10.试验顶座，11.试验件，12.限位螺栓，13.承力螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提出一种用于对板件施加压缩应力的试验夹具，如图1~2所示，包括试验底座1、两个侧板5、顶板7和试验顶座10，试验底座1上设置有底板2和两个底板限位板3，底板2位于试验底座1的中心位置，两个底板限位板3均与试验底座1固定连接，且两个底板限位板3分别位于底板2的前后两侧并与底板2紧密接触，底板限位板3用于防止底板2和试验底座1在压缩过程中产生相对滑动。试验件11置于底板2的中心位置处，两个侧板5底部均与底板2固定连接，且两个侧板5分别与试验件11的左右两侧一一对应紧密相贴，试验件11的高度大于侧板5的高度。顶板7位于试验件11上方并与其顶部紧密相贴，且顶板7通过承力螺栓13与两个侧板5的顶部固定连接，试验顶座10位于顶板7的上方并与顶板7十字交叉固定连接。试验底座1安装在试验机底部夹头上，试验顶座10安装在试验机顶部夹头上，用于传递试验机施加的压缩载荷。

因为试验件11承受压缩应力会产生缩短的变形，为了能够保证压缩载荷施加于试验件11上，设计试验件11的高度大于侧板5的高度，预留出压缩变形的空间。通常推荐10mm左右，试验件11的弹性模量越小，指定的压缩应力越大，意味着压缩过程中的变形大，则预留的空间要大一些。反之，试验件11的弹性模量越大，指定的压缩载荷越小，意味着压缩过程中的变形小，则预留的空间可以小一些。

底板2一方面承担支撑试验件11和传递压缩载荷的作用，另一方面也是为了配合和侧板5的连接，属于整体试验夹具的一部分。通过设置底板2和试验底座1，可以大幅度增加本发明实施例的试验夹具的适用性广度，因为底板2和试验底座1是可以分离的，不同试验机的尺寸和型号是不同的，如果直接将试验件11固定于试验底座1上，一方面没有办法与侧板5等进行装配，另一方面当需要在不同尺寸试验机上施加载荷时，可能由于尺寸问题没有办法适用，而本发明实施例的试验夹具可以使用于不同的情况，底板2是简单的板件，若遇到复杂的情况，可以针对该复杂情况设计一款专门的试验底座1，然后与底板2配合使用，大大增加了该试验夹具的适用性。另外，通过底板限位板3对底板2进行限位，就可以解放底板2和试验底座1之间的固定连接，当遇到试验底座1的尺寸或者样式不适用于现有的试验机夹头时，可以调整试验底座1形状和样式以使其适用于不同的试验机，提高该试验夹具的适用性。

底板2上固定有两个滑动底板4，滑动底板4用于在试验过程中防止试验件11沿底板2的平面方向滑动，两个滑动底板4一一对应设置在试验件11的底部前后两侧并与试验件11紧密相贴。如图5所示，滑动底板4上设有多个第一条形孔4-1，且第一条形孔4-1的长度延伸方向垂直于试验件11，滑动底板4经穿过第一条形孔4-1的限位螺栓12与底板2固定连接，通过第一条形孔4-1能够前后调节滑动底板4的位置以适应不同厚度的试验件11，当确定试验件11厚度后，安装时应保证滑动底板4和试验件11紧密接触，以防止压缩过程中试验件11和底板2产生相对滑动。

如图6所示，侧板5由l型板5-1和三角板5-2组成，三角板5-2固定于l型板5-1的中心位置，且三角板5-2为直角三角板，其直角一侧与l型板5-1的竖板固定连接，其直角另一侧与l型板5-1的横板固定连接；l型板5-1的竖板与试验件11紧密相贴，其横板朝向远离试验件11的方向设置并与底板2固定连接。设置三角板5-2用于给l型板5-1支撑，因为压缩过程中试验件11会挤压两侧的侧板5，用三角板5-2作为支撑，防止压力过大使侧板5出现变形。l型板5-1的竖板顶端设有第一螺纹孔5-3，所述顶板7通过承力螺栓13与第一螺纹孔5-3连接。每个侧板5的l型板5-1的竖板上固定有两个竖向设置的滑动侧板6，两个滑动侧板6一一对应位于试验件11的高度方向前后两侧并与试验件11紧密相贴；l型板5-1的竖板上设有多个位于三角板5-2两侧的第二条形孔5-4，第二条形孔5-4的长度延伸方向垂直于三角板5-2。侧板5经穿过第二条形孔5-4的限位螺栓12与滑动侧板6固定连接，沿第二条形孔5-4的长度方向上能够前后调节滑动侧板6的位置以适应不同厚度的试验件11。当确定试验件11厚度后，安装时应保证4个滑动侧板6都紧贴试验件11，并要求将滑动侧板6的厚度面即窄边所在面紧贴试验件11，防止压缩过程中试验件11和侧板5产生相对滑动，同时滑动侧板6防止板件出现屈曲失稳，尤其是出现侧边屈曲失稳现象，因为侧边屈曲失稳是在实际工程应用中不允许的，也必须在试验过程中避免。所述l型板5-1的横板上设有两个沿其长度方向设置的第三条形孔5-5，且两个第三条形孔5-5一一对应设置于三角板5-2两侧，所述侧板5经穿过第三条形孔5-5的限位螺栓12与底板2固定连接，沿第三条形孔5-5的长度方向能够左右调节侧板5的位置以适应不同宽度的试验件11，当试验件11的宽度确定后，安装时应保证两个侧板5紧贴试验件11的左右侧边。

如图4所示，底板2上设置有多个用于固定滑动底板4和侧板5的第三螺纹孔，滑动底板4通过限位螺栓12、第一条形孔4-1以及底板2上的第三螺纹孔固定在底板2上。侧板5可沿第三条形孔5-5的方向移动来调整位置，以适用于不同宽度的试验件11，侧板5通过限位螺栓12、第三条形孔5-5以及底板2上的第三螺纹孔固定在底板2上。

所述顶板7底部固定有两个滑动顶板8，滑动顶板8一一对应设置在试验件11的顶部前后两侧并与试验件11紧密相贴。如图8所示，滑动顶板8上设有多个第四条形孔8-1，第四条形孔8-1的长度延伸方向垂直于试验件11。如图7所示，顶板7底部设有多个与第四条形孔8-1一一对应的第二螺纹孔7-1，滑动顶板8经穿过第四条形孔8-1的限位螺栓12与顶板7底部的第二螺纹孔7-1固定连接，通过第四条形孔8-1能够前后调节滑动顶板8的位置以适应不同厚度的试验件11。另外，顶板7上还设有多个位于所有第二螺纹孔7-1整体左右两侧的固定通孔7-2，顶板7经穿过固定通孔7-2的承力螺栓13与侧板5固定连接，具体是顶板7经穿过固定通孔7-2的承力螺栓13与侧板5的第一螺纹孔5-3连接。

试验顶座10底部经限位螺栓12固定有两个顶板限位板9，两个顶板限位板9一一对应位于顶板7的前后两侧并与顶板7紧密相贴，顶板限位板9用于在压缩过程中防止顶板7和试验顶座10产生相对滑动。

试验底座1是本发明实施例的试验夹具的基础，如图3所示，试验底座1的底部设置有一个凸起的底座夹持端，底座夹持端用于在施加指定压缩应力作用时将试验底座1安装或夹持在试验机底部夹头上。且试验底座1上设置有第四螺纹孔，底板限位板3通过试验底座1上的第四螺纹孔固定在试验底座1上，底板限位板3和底板2相互紧密接触，防止底板2和试验底座1在压缩过程中产生相对滑动。如图9所示，试验顶座10的顶面上设有一个凸起的顶座夹持端，顶座夹持端用来将试验顶座10夹持在试验机上，以将指定的压缩应力通过试验顶座10传递至试验件11。且试验顶座10上设置有第五螺纹孔，顶板限位板9通过试验顶座10上的第五螺纹孔固定在试验顶座10上，顶板限位板9和顶板7相互紧密接触，防止顶板7和试验顶座10在压缩过程中产生相对滑动。

需要说明的是，由于图2是本发明实施例的用于对板件长期施加压缩应力的试验夹具的正视图，因此本发明实施例所限定的前、后、左、右即为图2所示试验夹具的前、后、左、右。

承力螺栓13只有在长期施加压缩应力情况下使用，短期施加压缩应力时不需要。长期施加压缩应力时承力螺栓13的工作原理：在指定的压缩应力载荷施加完毕后，通过限制顶板7和侧板5的分离，承受应力作用。具体原理：由于试验件11受到压缩应力作用，其有反抗压缩应力的趋势，也就是试验件11会有伸张的趋势，试图将顶板7和侧板5分离，此时承力螺栓13连接顶板7和侧板5，限制了两者的分离，通过承力螺栓13承受拉伸应力来保持试验件11的压缩应力。承力螺栓13通常可根据所需要施加的压缩载荷大小来进行确定，载荷大，则需要选取直径较大的螺栓，反之则选取较小的螺栓。限位螺栓12主要起到连接各个部件的作用，同时也承受一定的载荷作用，但相比承力螺栓13，限位螺栓12承受的载荷较小。

用于对板件施加压缩应力的试验夹具的使用方法，按照如下步骤进行：

（一）长期施加压缩应力的情况

步骤s1、安装底板限位板3和底板2使得底板2中心线和试验底座1的中心线重合，以保证在施加指定压缩载荷的过程中压缩应力穿过试验件11的形心且不产生弯矩；

步骤s2、将试验件11竖直置于底板2上，使试验件11位于底板2的顶部中心位置并垂直于底板2，保证在初始施加指定压缩应力时压缩应力能够通过试验件11的形心而不产生弯矩；

步骤s3、依据试验件11的厚度将滑动底板4安装在底板2上，并依据试验件11的宽度将侧板5安装在底板2上，并将滑动侧板6安装在侧板5上，使滑动底板4、侧板5和滑动侧板6均与试验件11紧密接触，并使侧板5的底面中心线和试验底座1的顶面中心线重合，保证在初始施加指定压缩应力时压缩应力能够通过试验件11的形心而不产生弯矩，且保证压缩过程中试验件11和底板2不产生相对滑动；

步骤s4、将滑动顶板8安装在顶板7底部，使得试验件11位于顶板7底面中心位置以保证在初始施加指定压缩应力时压缩应力能够通过试验件11的形心，然后依据试验件11的厚度调整滑动顶板8的位置使滑动顶板8紧贴试验件11，并通过承力螺栓13连接顶板7和侧板5；

步骤s5、将顶板7的中心线和与顶板7十字交叉固定连接的试验顶座10的中心线重合以保证在施加指定压缩载荷的过程中压缩应力穿过试验件11的形心而不产生弯矩，然后将顶板限位板9安装在试验顶座10底部，并使两个顶板限位板9与顶板7紧密接触；

步骤s6、将试验底座1的底座夹持端夹持在试验机的固定端，试验顶座10的顶座夹持端夹持在试验机的加载端，试验底座1和试验顶座10安装至试验机时需要保证压缩载荷通过试验件11的形心，确保压缩过程中对试验件11不存在弯矩和扭矩；

步骤s7、通过试验机（例如mts试验机）给试验件11加载指定的压缩应力，当对试验件11施加到指定压缩应力后，拧紧承力螺栓13并断开试验机的压缩应力，试验夹具自发对试验件11长期施加压缩应力。然后即可开展在压缩应力作用下的冲击载荷、湿热环境、紫外线等外界环境作用研究。在到达指定压缩应力加载时间后，松开承力螺栓13即可完成压缩应力的卸载。

由于承力螺栓13自身也存在弹性变形，在施加一定的压缩应力并拧紧承力螺栓13后，承力螺栓13发生弹性变形会卸载一部分压缩应力，因此施加的压缩应力略大于指定的压缩应力，具体是设置试验机给试验件11加载指定的压缩应力，等于试验设计的需要加载至试验件11上的压缩应力与承力螺栓13被拧紧时发生弹性变形卸载的压缩应力之和，以消除承力螺栓13自身弹性变形的影响。

拧紧承力螺栓13后，由于试验件11被初始指定压力压缩，有伸张的趋势，而此时承力螺栓13连接在顶板7和底板2之间，限制了顶板7和底板2的分离，也就是保持了顶板7和底板2的相对位置不发生变化，保持了顶板7和底板2对试验件11的压缩应力，这样就通过承力螺栓13将顶板7和侧板5连接在一起，限制了顶板7和侧板5的分离，也就是限制了试验件11的回弹变形，这样就能够长期保持对试验件11施加指定的压缩应力。

（二）短期施加压缩应力的情况：

短期施加压缩应力的情况就是对板件开展压缩静力破坏试验，短期施加压缩应力时承力螺栓13不参与工作，具体是先通过步骤s1~s6将试验夹具和试验件11安装完毕，然后采用试验机给试验件11施加不断增大的压缩应力，压缩应力的施加可以通过力控制方式或者位移控制方式进行施加，直至试验件11发生破坏，试验机能够记录相应的压缩强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。