一种复合材料高温薄板压缩测试装置及其安装方法与流程

一种复合材料高温薄板压缩测试装置及其安装方法
1.本发明涉及材料压缩测试装置技术领域，尤其涉及一种复合材料高温薄板压缩测试装置。


背景技术：

2.纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量以及良好的疲劳性能，已逐渐的替代了金属结构成为最重要的航天航空结构材料。在实际服役过程中，该复合材料产品大部分时间需承受气动压力、热流等不利环境，使其极易产生压缩变形破坏，因此高温压缩性能是影响复合材料产品综合性能的重要参数。当前的薄板压缩性能测试方法及装置仅仅可以在常温下获得该复合材料的压缩强度、压缩模量等性能参数，但在进行高温测试时均存在一定的限制，难以获取纤维增强树脂基复合材料的高温压缩性能数据。
3.在当前的纤维增强树脂基复合材料薄板压缩实验中，利用端部加载以及混合加载的压缩夹具，均通过螺栓结构给试样提供一定的夹持力。但随着实验温度的升高，夹具中的螺栓会因受热膨胀导致自身的松动，无法为试样提供足够的夹紧力；另外，由于试样厚度方向的热膨胀系数也远小于夹具所用材料的热膨胀系数，试样与夹具间会因受热膨胀而产生间隙，在混合加载中甚至会出现试样滑出夹具体外的情况。虽然现已有一些方法，对混合加载夹具进行了优化，在螺栓结构中增加了夹紧力补偿器，使其能够进行高温薄板压缩测试。但改进后的夹具为保证加载过程中上夹块可以自由上下滑动，在导向轴与导向孔之间预留了间隙。该间隙在高温作用下受轴和孔的热膨胀以及表面氧化等问题的影响，会出现“卡死”或间隙过大使得载荷作用线与试样产生微小偏角等问题。同理，在剪切加载夹具中虽不含有螺栓结构，但其利用导向轴和导向孔，依旧会存在无法实现高温导向的难题，不能保证获得的高温压缩力学性能测试数据准确有效。
4.综上所述，本发明目的在于克服现有技术能力的不足，提供一种适用于纤维增强树脂基复合材料高温薄板压缩的测试装置及其安装方法，解决以往夹具无法为试样提供足够的夹持力、不具备高温作用下的导向功能和不能保证高温压缩力学性能测试结果准确有效的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种复合材料高温薄板压缩测试装置，用以解决现有夹具无法为试样提供足够的夹持力、不具备高温作用下的导向功能和不能保证高温压缩力学性能测试结果准确有效的问题。
6.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
7.一种复合材料高温薄板压缩测试装置，包括第一固定座和第二固定座，所述第二固定座上固定连接有导向柱，所述第一固定座与所述导向柱活动连接。
8.进一步地，所述第一固定座两端设有导向通孔，所述导向柱可穿过所述导向通孔通过紧固件活动连接。
9.进一步地，所述导向通孔外周设有多个长方形凹槽；所述导向通孔内侧设有圆弧
锥形内壁。
10.进一步地，所述紧固件由多个楔块组成，所述楔块设有定位部和卡合部；所述定位部呈梯形板状结构，可与所述长方形凹槽配合连接；所述卡合部外壁可与所述圆弧锥形内壁相贴合。
11.进一步地，所述卡合部的内壁上设有突起，所述突起可与所述导向柱贴合。
12.进一步地，所述第一固定座设置有第一卡口，所述第一卡口与第一夹具组可拆卸连接；所述第二固定座设置有第二卡口，所述第二固定座与第二夹具组可拆卸连接。
13.进一步地，所述第一夹具组与第二夹具组结构相同，均由支撑块和卡槽块组成，所述支撑块和所述卡槽块配合连接。
14.进一步地，所述支撑块上设有挡条，所述挡条上方设有挡块，所述支撑块的内表面设有第一摩擦面；所述卡槽块设有凹槽，与所述挡条相适配卡合，所述卡槽块的内表面设有第二摩擦面。
15.进一步地，所述第一固定座的顶部设有加载块，所述加载块的上端活动连接有球头。
16.进一步地，一种复合材料高温薄板压缩测试装置的安装方法，步骤为：
17.s1：将试样的一端用第二夹具组夹住后，卡入第二固定座的第二卡口内；
18.s2：用第一夹具组夹住所述试样的另一端；
19.s3：将第一固定座通过导向通孔穿过导向柱，使第一夹具组卡入第一卡口内；
20.s4：将紧固件放入导向通孔内；
21.s5：将加载块放到第一固定座上，再将球头放在加载块上，安装完成。
22.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
23.(1)本技术的导向柱与导向通孔所在的第一固定座使用不同热膨胀系数材料，使导向柱的热膨胀系数略小于第一固定座的热膨胀系数，保证该装置在进行加热测试实验受热膨胀后相较于室温间隙变大，此时紧固件中的楔块可由于重力作用自由下落，继续对导向柱施加约束，实现高温状态下的导向功能，使试样在进行高温压缩测试过程中，压力施加的方向始终沿导向柱竖直向下，避免出现施压方向偏移的问题。
24.2)本技术紧固件中楔块内壁设置有突起，该突起呈半圆柱形，竖直贯穿整个楔块，安装后导向柱仅仅只与楔块上的突起接触，形成竖直方向上的线接触，相较于常规轴孔配合时的面接触来说，能够大幅度地减小第一固定座向下移动时与导向柱间产生的滑动摩擦力，避免摩擦力与压缩载荷的耦合作用影响测试结果，提高该压缩测试的准确性和精确度。
25.3)本技术夹具组中的支撑块设置有挡条，该挡条可以对试样起到竖直方向上的限位作用，防止实验初期试样与夹具组间因高温作用产生缝隙导致夹持力不足，试样从夹具组中滑出的难题。
26.4)本技术夹具组中支撑块的挡条上方设置有方形挡块，该挡块在安装试样时起到定位的作用，即试样一侧与该挡块贴合可保证试样中轴线与压缩载荷作用线平行，同时通过试样宽度计算该挡块的宽度使试样在水平方向上处于整个测试装置的中心位置，即试样中轴线与压缩载荷作用线重合，解决了试样安装时的对中性难题，从而提高实验数据的精准性。
27.5)本技术夹具组中的支撑块与卡槽块的内壁均设置有摩擦面，提高摩擦系数，增
加试样与夹具组的摩擦力，使试样在横向和竖向两个方向上均实现增大摩擦力的作用，防止试样在被压缩的过程中出现掉落或滑落现象，同时防止初期由于夹具组夹持力不足试样从夹具中滑出的问题，实现双重保障。
28.6)本技术中在上压盘与加载块之间增加一个球体的金属球头，使上压盘与加载块之间从原始的面接触转化成点接触，让整个上压盘对试样施加的向下压力，通过球头最上端的点平均施压到整个装置。该设计避免上压头与测试装置接触表面的平行度精度不足而导致载荷作用线与试样轴心不重合问题，进一步提高数据的精确度和准确性。
29.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
30.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
31.图1为一种复合材料高温薄板压缩测试装置立体示意图；
32.图2为一种复合材料高温薄板压缩测试装置中第一固定座的立体示意图；
33.图3为一种复合材料高温薄板压缩测试装置中紧固件的立体示意图；
34.图4为一种复合材料高温薄板压缩测试装置中第二夹具组的立体示意图；
35.图5为一种复合材料高温薄板压缩测试装置安装方法中试样安装的立体示意图；
36.图6为一种复合材料高温薄板压缩测试装置安装方法中步骤s2的立体示意图；
37.图7为一种复合材料高温薄板压缩测试装置安装方法中步骤s4的立体示意图；
38.图8为一种复合材料高温薄板压缩测试装置安装完成后进行高温压缩测试的立体示意图。
39.附图标记：
40.1-第一固定座；2-第二固定座；3-导向柱；4-紧固件；5-第一夹具组；6-第二夹具组；61-支撑块；611-挡条；612-挡块；613-第一摩擦面；62-卡槽块；621-凹槽；623-第二摩擦面；7-试样；8-加载块；9-球头；10-导向通孔；101-长方形凹槽；102-圆弧锥形内壁；11-楔块；111-定位部；112-卡合部；1121-突起；13-第一卡口；14-第二卡口；15-加热箱；16-上压盘；17-下压盘。
具体实施方式
41.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
42.本发明公开了一种复合材料高温薄板压缩测试装置，如图1所示，包括第一固定座1和第二固定座2，所述第二固定座(2)的两侧分别固定连接有导向柱(3)，所述第一固定座(1)与所述导向柱(3)活动连接。所述第一固定座1和所述第二固定座2的整体大小相一致。该导向柱3为一组导向柱3，共有两根，分别竖直设置于所述第一固定座1和所述第二固定座2的两端。优选地，所述高温薄板为纤维增强树脂基复合材料高温薄板。
43.进一步地，如图2所示，所述第一固定座1两端设有导向通孔10，导向柱3可穿过所
述导向通孔10活动连接，并可通过在导向通孔10与导向柱3之间的空隙插入可拆卸的紧固件4对导向柱3进行固定和控位作用。
44.进一步地，所述导向通孔10在竖直方向上呈锥形，即形成上宽下窄的圆锥形导向通孔10，且外周设有多个长方形凹槽101，优选地，为四个长方形凹槽101，均匀分布在导向通孔10的外周。该长方形凹槽101外边缘在竖直方向上与导向柱3平行，即垂直于地面。所述导向通孔10内壁呈圆弧锥形内壁102圆弧锥形内壁。
45.具体地，如图3所示，所述紧固件4由多个楔块11组成，优选地，为四个楔块11，每个楔块11结构相同。所述楔块11设有定位部111和卡合部112；所述定位部111呈梯形板状结构，外侧边缘处与导向柱3平行，梯形板状结构的宽度与所述长方形凹槽102相适配，两者之间可相互插合连接。所述楔块11的卡合部112呈圆弧锥形体，卡合部112一面为圆弧锥形面，另一面为圆柱形面，卡合部112的圆弧锥形面的弧度与所述导向通孔10的圆弧锥形内壁102呈同心圆锥形，卡合部112的圆柱形面的弧度与所述导向柱3的圆柱形面呈同心圆形圆弧锥形内壁。紧固件4的楔块11与导向通孔10相互插合时，所述定位部111与导向通孔10上的长方形凹槽101相互接触并插合，所述卡和部112外壁与所述圆弧锥形内壁102相互接触并贴合，导向柱3可与卡和部112的内壁相接触并贴合。
46.具体地，导向柱3与导向通孔10所在的第一固定座1使用不同热膨胀系数材料，使导向柱3的热膨胀系数略小于第一固定座的热膨胀系数，保证该装置在进行加热测试实验受热膨胀后相较于室温间隙变大，此时紧固件4中的楔块11可由于重力作用自由下落，继续对导向柱3施加约束，保证第一固定座1始终沿着导向柱3竖直向下移动，即具有高温状态下的导向功能，即运动方向的向导功能，进而保证压缩载荷作用线与试样中轴线重合，避免出现施压方向偏移的问题。
47.优选地，所述楔块11卡合部112的内壁中间可竖直设置有突起1121，所述突起1121竖直贯穿整个卡合部112，即突起1121的设置方向与所述导向柱3平行设置。当所述楔块11插入导向柱3与导向通孔10之间的空隙时，所述突起1121与所述导向柱3相接触，且形成单一的线性接触，较于常规轴孔配合时的面接触来说，能够大幅度地减小第一固定座1向下移动时与导向柱3间产生的滑动摩擦力，避免摩擦力与压缩载荷的耦合作用影响测试结果，提高该装置进行压缩测试的准确性和精确度。
48.进一步地，所述第一固定座1的中间处设有第一卡口13，该第一卡口13贯穿整个第一固定座1，所述第一卡口13呈上窄下宽的梯形通孔，可与第一夹具组5相互配合卡合；所述第二固定座2中间处设置有第二卡口14，呈上宽下窄的梯形通孔，可与第二夹具组6相互配合卡合。
49.进一步地，如图4所示，所述第一夹具组5和第二夹具组6结构相同，均由支撑块61和卡槽块62组成。所述支撑块61和所述卡槽块62相互卡合后整体呈梯形，即一端宽另一端窄的结构，可分别与所述第一卡口13和第二卡口14相适配且插合连接。
50.具体地，所述支撑块61与所述卡槽块62相互贴合的一侧设有挡条611，该挡条611横向贯穿整个支撑块61内侧。该挡条611可以将试样7在竖直方向上起到限位作用，在该装置进行高温压缩实验中，防止实验初期试样7与两组夹具组(5和6)间因高温作用产生缝隙导致夹持力不足，试样从夹具组中滑出的难题；同时可以避免试样7在被压缩的过程中出现掉落或滑落现象。
51.进一步地，所述支撑块61的挡条611上侧一端设有挡块612，挡块612只设置一端是为了适应各种不同宽度的试样，使试样在宽度上没有限制，该挡块呈方形突起结构。且所述挡块612突起的厚度根据试样7的厚度变化可分为多种，即支撑块61的可根据试样7不同的厚度尺寸大小进行替换，实现为多种不同类型试样的测试。所述支撑块61在选择时，需要满足试样7的厚度大于挡块612突起的厚度且小于所述挡条611的厚度的条件，如果试样7的厚度小于挡块612，则卡槽块62直接与支撑块61贴合，无法夹持试样7。所述挡块612是为了实现在安装试样7时起到定位的作用，即在水平方向上保证试样7处于夹具的中心位置，使得在进行高温压缩实验过程中试样7的中轴线与压缩载荷作用线重合，解决安装试样7的对中性难题，从而提高实验数据的精准性。
52.进一步地，所述卡槽块62设有凹槽621，与所述挡条611相适配卡合。所述支撑块61的内表面挡条611上方设有第一摩擦面613，且所述卡槽块62的内表面凹槽621上方设有第二摩擦面623，所述摩擦面均加工有牙纹，提高摩擦系数，增加试样与夹具组的摩擦力，使试样在横向和竖向两个方向上均实现增大摩擦力的作用，防止试样在被压缩的过程中出现掉落或滑落现象，同时防止初期由于夹具组夹持力不足试样从夹具组中滑出的问题，实现双重保障。
53.进一步地，所述第一固定座1的顶部正中心处设有一个圆形卡槽，用于安装加载块8，该圆形卡槽起到对加载块8的限位作用，使整个装置的加压力度均匀分布。所述加载块8呈圆柱形，其密度大，可为高密度金属加载块8。所述加载块8的顶部正中心处设有一个与球头9直径相同的半球形凹陷，用于对球头9的限位。
54.优选地，所述球头9为金属球头，使上压盘16与加载块8之间从原始的面接触转化成球头9顶点的点接触，让整个上压盘16对试样7施加的向下压力通过球头9最上端的一个点传递到整个装置，使压力在整个装置中平均分布。该设计可避免当上压盘16与整个第一固定座1接触表面的平行度精度不足时，上压盘16某一处非中心位置率先接触第一固定座1使其在竖直向下移动过程中发生微小偏转，导致载荷作用线与试样7轴心不重合问题，故可进一步提高数据的精确度和准确性。
55.下面结合图5-8，更具体地对本发明技术方案进行描述：
56.一种复合材料高温薄板压缩测试装置的安装方法，按照以下步骤进行安装：
57.s1：选取与试样7适配的第一夹具组5和第二夹具组6，将试样7放在支撑块61的上，使试样7的一端恰好卡挡条611上，且试样7的一侧正好抵住挡块612，试样7两侧抵住后，即实现试样7的厚度大于突出的挡块612同时小于挡条611。将与支撑块61适配的卡槽块62通过凹槽621与支撑块相卡合，即完成第二夹具组6夹住试样7的操作，并将其插入第二固定座2的第二卡口14内，使第二卡口14的梯形形状与第二夹具组6相卡合。
58.s2：用第一夹具组5像第二夹具组6的s2步骤中所述一样夹住所述试样7的另一端，用外力对第一夹具组5施加相对压力，使第一夹具组5对试样7另一端产生加持力，防止试样7掉落；
59.s3：将第一固定座1通过导向通孔10穿过导向柱3，使第一夹具组5卡入第一卡口13的梯形通孔内，释放外力，此时试样7、第一夹具组5和第二夹具5被固定在第一固定座1和第二固定座2之间；
60.s4：将紧固件4的楔块11放入导向通孔10内，使楔块11恰好卡在导向通孔10与导向
柱3的空隙内；定位部111与长方形凹槽相卡合，同时卡和部112与圆弧锥形内壁相贴合；楔块11通过自身重力垂直向下运动，使突起1121与导向柱3相接触并固定；
61.s5：将加载块8放到第一固定座1的圆形卡槽内，再将球头9放在加载块8顶部的球形凹槽内，安装完成。
62.实施时，该种纤维增强树脂基复合材料高温薄板压缩测试装置在加热箱15中进行，加热箱15下端固定连接有下压盘17，第二固定座2安装于下压盘17上，所述下压盘17用于对整个装置起到支撑作用；加热箱15的上端固定连接有上压盘16，所述上压盘16的底部与球头9的顶点接触，用于对整个装置进行压缩实验的加压操作。
63.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。