單鴻波， 徐 方， 孫志宏， 于海燕

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

管狀復合材料拉伸性能測試及夾具原型系統(tǒng)

單鴻波， 徐 方， 孫志宏， 于海燕

(東華大學 機械工程學院， 上海 201620)

針對目前高強度管狀復合材料測試方法和手段不成熟的問題，提出了管狀復合材料拉伸強度的測試方法——整體拉伸法。通過對基礎試驗進行對比分析，研制出了一套整體拉伸專用夾具，并通過試驗驗證了夾具的可行性和優(yōu)越性，從而突破了高強度管狀復合材料強度測試時夾持困難的瓶頸。基于VB語言在Windows環(huán)境下，開發(fā)了適用于管狀復合材料拉伸夾具設計的原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有4個模塊分別對應夾具的4個主要零件，能夠根據(jù)用戶需求生成相應的設計參數(shù)，適應各種尺寸復合材料圓管拉伸夾具的設計，具有簡單、實用、高效等特點。

管狀復合材料； 拉伸強度； 整體拉伸； 夾具； 原型系統(tǒng)

管狀復合材料是一種受力形式合理的結構元件，封閉的管狀試件能避免板狀試件自由邊緣應力分布不均勻的問題，廣泛應用于航空和航天飛行器結構[1]。為了進一步擴大其應用領域，作為材料性能和安全可靠性保證的手段，試驗技術和評價方法的研究必不可少。管狀復合材料力學性能的試驗與評價在開發(fā)與應用中發(fā)揮著極其重要的作用，尤其是在材料設計中[2]。

本文主要以碳纖維管狀復合材料為例，試驗驗證了其拉伸性能的測試方法，設計了多種試驗方案，分別從試驗方案設計、具體試驗實施、試驗結果、數(shù)據(jù)曲線等方面進行分析。最后，通過試驗過程破壞機制分析及數(shù)據(jù)的對比得到較好的試驗方法。

1 拉伸試驗方案設計

復合材料拉伸強度性能測定是測試其在一定環(huán)境條件下受軸向力或能量作用時所表現(xiàn)出的特性。其強度的測定與管的設計、材料選擇、工藝評價、材質(zhì)檢驗等密切相關，測得的力學性能數(shù)據(jù)不僅取決于材料本身，還與試驗條件有關，如取樣的部位和方向，試樣的形狀和尺寸，試驗時的加載速度、環(huán)境介質(zhì)的成分和溫度等[3]。

目前，在民用、航天及軍事科技領域，碳纖維管狀復合材料由于性能的優(yōu)越性，得到越來越多的應用，然而，尚無針對其拉伸性能測試的標準。國內(nèi)外有一些相類似的標準可供參考，如在美國業(yè)界和國防部廣泛采用的ASTM標準體中，有ASTMD 5450/D 5450M-93(06)《聚合物基復合材料環(huán)形纏繞圓筒橫向拉伸性能標準試驗方法》，ASTMD 7205/D 7205M-06《纖維增強聚合物基復合材料棒的拉伸性能試驗方法》[4]。我國有GB/T 1446—2005《纖維增強塑料性能實驗方法總則》、GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能實驗方法》、GB/T 5349—2005《纖維增強熱固性塑料管軸向拉伸性能試驗方法》等可供參考。

參考GB/T 5349—2005，本文選取受拉試件長度為550 mm，兩端夾持段長度各為50 mm，試驗段長度450 mm。所用管材為脆性空心管，為避免被夾具夾壞，在夾持段管內(nèi)塞入外徑為18 mm，長度為50 mm的鐵芯，在試樣的端部夾持部位包纏砂紙后再安裝在夾具上進行拉伸。

2 試驗及結果分析

試驗所用碳纖維管狀復合材料采用T300(3K)碳纖維環(huán)氧樹脂預浸布纏繞而成，經(jīng)向密度為5根/cm，緯向密度為3根/cm，共2層，每層厚度為0.15 mm。經(jīng)固化等一系列工序最終制成圓管產(chǎn)品。其外徑為20 mm，壁厚為1 mm。碳纖維T300(3K)的性能和ST350環(huán)氧樹脂的性能[5]如表1所示。

2.2 拉伸試驗測試

試驗在長春科新實驗儀器有限公司制造的WDW-100型微機控制電子萬能試驗機上進行，最大拉伸載荷為100 kN，準確度為±1，位移分辨率為0.01 mm。試驗參照GB/T 1446—2005進行，試驗室環(huán)境溫度為18～23 ℃，相對濕度為65%～80%，加載速度為3 mm/min[6]采用位移連續(xù)加載方式。

表1 碳纖維與環(huán)氧樹脂性能Tab.1 Carbon fiber and epikote properties

2.3 結果及分析

試樣在試驗機上經(jīng)拉伸直至斷裂。試樣完全被拉斷成兩段，斷口比較整齊，可以看到一絲絲緯紗及完全斷開的經(jīng)紗，試件的應力-應變曲線如圖1所示。

圖1 拉伸方案應力-應變曲線Fig. 1 Tensile proposal stress-strain curve

為增加試樣表面的咬合度與摩擦力，盡量減少打滑現(xiàn)象的發(fā)生，采用砂紙包纏在試樣表面。在實驗中，當砂紙與試樣完全摩擦著力后，應力曲線開始幾乎呈直線上升，此階段幾乎沒有肉眼可見的明顯變化；當應力達到448.5 MPa 時，能聽到劇烈的崩斷聲，試樣在夾持端被拉斷，因此曲線瞬間下降。由于破壞發(fā)生在夾持段而不在工作段，因此需進一步改進試驗方案[7]。

通過在管的夾持端包覆一層增阻材料，能夠較好地削弱打滑現(xiàn)象，并且避免夾具中的螺牙直接與管接觸咬合，有效地避免了試件端部過早的被夾具破壞，為進行專用夾具的設計提供了寶貴經(jīng)驗。

3 拉伸專用夾具的設計及試驗驗證

采用適當?shù)膴A具，既要對夾持部位不產(chǎn)生破壞，又能對碳纖維管產(chǎn)生足夠的摩擦力，保證試樣被緊緊夾持，不發(fā)生打滑。目前大多數(shù)萬能試驗機配備的夾頭為平行塊夾頭或V型夾頭，平行塊夾頭適用于板條狀的試樣拉伸，V型夾頭適用于圓形試樣的拉伸，對實心的棒狀試樣，V型夾頭的效果較好，可以滿足實驗要求，但對于碳纖維管狀復合材料，通過上述實驗方案可知，V型夾頭對試樣產(chǎn)生的剪切力較大，對試樣端部造成很大的破壞，使實驗最終因為打滑而無法正常進行。

數(shù)據(jù)表搭建有：機井信息表、監(jiān)控歷史記錄表、配水方案表、機井實時數(shù)據(jù)表、配水項目表、配水結構表，具體關系見圖2。

3.1 拉伸專用夾具的設計

針對上述狀況，設計改進了一套適用于碳纖維管狀復合材料的拉伸實驗夾具，如圖2所示。其中軸1，剛性外套3，彈性開口襯套5，脹套7材料均為45鋼，屈服強度為355 MPa，抗拉強度為600 MPa。實驗所用碳纖維管狀復合材料外徑為40 mm，內(nèi)徑為38 mm，設計抗拉強度為800 MPa。

注：1—芯軸； 2—螺母； 3—剛性外套； 4—碳纖維管狀復合材料； 5—彈性開口襯套； 6—端部加強層； 7—瓣形脹套。圖2 管狀復合材料拉伸夾具Fig.2 Tubular composite materials tensile grip

試驗時，由于碳纖維圓管復合材料兩端受到夾具體產(chǎn)生的巨大擠壓力，因此，夾持端屬于薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生破壞。為了避免這種現(xiàn)象，需對試樣做特殊處理，即在試樣兩端通過樹脂進行2次復合，各增加一定長度的加強保護層，避免夾具與碳纖維管狀復合材料直接接觸造成破壞，同時增加夾持端的強度，對夾持端進行有效保護，如圖2中的端部加強層。

軸1作為該套夾具中最重要的零件之一，其參數(shù)的設計直接關系到實驗的成敗。初步估算碳纖維薄壁管可承受的最大拉力

F=σ×A

式中:σ為表示碳纖維管狀復合材料的設計強度，A為試樣的橫截面積。

為了保證夾具良好的可重復使用性，該軸所承受的最大應力不得大于45鋼的屈服強度σb，同時，為了保證軸的可靠性，將軸所需承受的力增大到1.2倍。因此，得到該軸的半徑

取整得到光軸的半徑R=11 mm。為了將軸1與脹套7之間初始預緊，軸的中偏前段尺寸為20～30 mm，公稱直徑為M24的螺紋，在螺紋段的前部，設計有退刀槽，寬度為3～5 mm，退刀槽前部是一個錐臺，它與脹套內(nèi)表面通過錐面配合使脹套張開，為了使脹套能夠較好地張開并且脹套與軸端部的錐臺之間不產(chǎn)生自鎖，通過對脹套和錐臺之間進行受力分析可知，錐臺的錐角和與之配合的脹套內(nèi)部的錐面角度越小，脹套張開的效果越好越不容易發(fā)生自鎖現(xiàn)象，但錐度不宜過小，若錐度過小，在脹套產(chǎn)生相同張開量的情況下，軸與脹套之間的位移量較大，軸的行程過長，因此，夾持段長度取為50 mm，則錐角最大值為9.3°，因此在本文設計中取為7°。

瓣形脹套7作為夾具中的一個重要零件，其結構設計非常重要。為使脹套易于張開，其壁厚需相對較薄，同時為了保證整個脹套前后能夠均勻張開，在脹套兩端分別開4個方槽。為了增加脹套外表面與碳纖維管內(nèi)壁之間的摩擦力，避免脹套在拉力的作用下與管內(nèi)壁發(fā)生打滑而產(chǎn)生相對位移，在脹套的外表面增加矩形螺紋，由于管的抗拉強度較高，每個螺牙承受的力較大，因此螺紋的牙厚不宜太小，本文牙厚為2 mm，螺距為2 mm，材料選擇45鋼。

為了避免夾持端脹破，需在夾持端管的外部增加一套彈性開口襯套和剛性外套。為了避免剛性外套與碳纖維管之間有間隙，所以增加彈性開口襯套，襯套內(nèi)表面為圓柱面，直徑與碳纖維管外徑相等，開口是為了靈活適應管徑的尺寸誤差，從而緊緊包覆在碳纖維管外表面。襯套外表面與剛性外套內(nèi)表面均有錐度為1°的錐面，通過錐度配合使彈性開口襯套和剛性外套將碳纖維管牢固的束縛，阻止管向外脹開。

螺母2的作用是為了給軸和脹套施加預緊力，使脹套預張開一定尺寸擠壓碳纖維管，增加脹套與管的咬合力，使脹套在拉伸初始階段不易滑脫并且在軸端錐臺的作用下更容易張開。

其工作原理為：萬能試驗機的夾頭夾住軸1，帶動軸1移動使脹套7均勻向外擴張，擠壓碳纖維管4，碳纖維管4的外部有彈性開口襯套和剛性外套的束縛，這樣隨著軸1的移動，瓣形脹套被軸端的錐臺擠壓而向外脹開，終而使碳纖維管在內(nèi)部脹套和外部剛性外套的作用下被緊緊擠壓，提供足夠的拉力使碳纖維管被拉斷。

3.2 夾具性能的試驗驗證

試驗所用碳纖維管狀復合材料外徑為40 mm，內(nèi)徑為38 mm，制樣方法同2.1所述，試驗條件同2.4，試驗設備采用上海益環(huán)儀器科技有限公司生產(chǎn)的YHS-229WJ-20T型微控電子萬能試驗機，其最大承載能力200 kN，試驗力分辨率為最大試驗力的±1/300 000，位移分辨率為0.02 μm。將拉伸夾具安裝在試件兩端，最后夾持在萬能試驗機的V型夾頭上進行緊固。啟動萬能試驗機，直至碳纖維管狀復合材料在工作段斷裂開，得到的試驗力與位移的曲線如圖3所示。

圖3 拉伸夾具試驗力-位移曲線Fig.3 Tensile grips test force-displacement curve

在試驗的前一部分時間，隨著位移的增加試驗力產(chǎn)生波動，這是因為在拉伸的初始階段，脹套外表面與碳纖維管摩擦不夠，脹套還未充分脹開，它與軸一同在管內(nèi)沿萬能試驗機拉伸方向滑動，在滑動的同時脹套在軸端錐臺的作用下慢慢脹開，擠壓碳纖維管，脹套外表面的螺牙頂部楔入碳纖維管內(nèi)壁，于是將脹套在碳纖維管內(nèi)形成了軸向定位，它和軸不再整體滑動，而是脹套固定不動，軸在脹套內(nèi)滑動，脹套脹開效果明顯，聯(lián)合管壁外剛性外套的作用將碳纖維管拉緊進入拉伸階段，也即橫坐標24的位置開始，在接下來的2 mm位移內(nèi)，試驗力幾乎呈直線急劇上升，此階段即為碳纖維管的彈性階段，而后聽到有輕微的破裂聲，碳纖維管的基體材料局部發(fā)生開裂，試驗力繼續(xù)上升，但上升的速率略有降低，此后在橫坐標28、29、30、31等位置由于碳纖維管基體材料繼續(xù)發(fā)生破裂產(chǎn)生振動致使曲線發(fā)生輕微波動，而后碳纖維逐漸開始被拉伸，試驗力曲線繼續(xù)上升，直至橫坐標近33的位置試樣發(fā)生爆炸性的破壞，纖維和樹脂完全脫離，纖維完全拉斷，碳纖維管試樣從中部斷開成2段。實驗測得碳纖維管斷裂力為95 kN，碳纖維管的強度為776 MPa，與設計值800 MPa誤差僅3%。因此，該套夾具能夠較準確地測出碳纖維薄壁管的拉伸強度[8-10]。

本文瓣形帳套7與管狀碳纖維復合材料之間滑移距離較長，是由于螺母2與芯軸1之間的初始預緊力不夠大造成的，在測試前，對螺母2施加較大的預緊力使芯軸1與瓣形帳套7更加充分地脹開，即可有效減少滑移距離，得到較好的應力-應變曲線。

3.3 拉伸夾具機械系統(tǒng)原型開發(fā)

當復合材料管外徑不變，壁厚有0.5～1 mm的減小量時，通過增加初始預緊力，增加瓣形脹套初始脹開程度，圖2所示的夾具仍可適用。但對于直徑和壁厚變化較大的復合材料圓管，則需要重新設計新的圖紙，以加工制造一套新的夾具。由于該設計方案中各零部件已定型，當要測試的復合材料圓管管徑型號較多時，設計人員重復設計的工作量較大，降低了工作效率。同時為了使該套夾具能夠得到更好的推廣和應用，便于更多的用戶能夠直接根據(jù)自己的復合材料管的尺寸，加工出相應的夾具，特開發(fā)出一套拉伸夾具設計的原型系統(tǒng)，它能夠根據(jù)用戶的要求，生成主要零部件的設計圖紙。

采用模塊化設計思想，將整個原型系統(tǒng)分為若干個子系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)的主要包括軸的參數(shù)設計模塊、脹套參數(shù)設計模塊、彈性開口襯套參數(shù)設計模塊、剛性外套參數(shù)設計模塊。其功能模塊圖如圖4所示。

圖4 拉伸夾具原型設計系統(tǒng)功能模塊圖Fig.4 Function module of prototyping system for tensile grips

用戶參數(shù)設置主要是用戶根據(jù)測試對象的具體要求，對整套拉伸夾具的相關參數(shù)進行設置，如復合材料管的外徑、壁厚、材料的選擇、設計強度等。該模塊位于4個子模塊的前端，其他模塊的程序運行需調(diào)用這些參數(shù)。

Visual Basic(VB)是廣大用戶青睞的可視化程序設計語言，是在BASIC 語言基礎上發(fā)展起來的，它提供的可視化設計平臺把Windows界面設計的復雜性“封裝”起來，開發(fā)人員不必為界面的設計而編寫大量的程序代碼，只需按設計要求用系統(tǒng)提供的工具在屏幕上畫出各種對象即可。VB 采用面向對象的設計方法，從應用領域內(nèi)的問題著手以直觀自然的方式描述客觀世界的實體，以其快捷方便受到很多程序設計者的青睞，因此得到了越來越廣泛的應用[11]。

本文在沒有完整輸入各項參數(shù)前，軸、脹套、彈性開口襯套、剛性外套幾個子模塊按鈕均處于不可用的灰顯狀態(tài)，在完整輸入初始參數(shù)之后，點擊“生成參數(shù)”按鈕，各個模塊即可啟用，分別點擊各個按鈕，即可顯示子模塊的界面。本原型系統(tǒng)集成了拉伸夾具主要零件的設計功能，能夠根據(jù)用戶的需求，生成相應的夾具設計方案，用戶可以利用該系統(tǒng)生成的圖紙直接進行加工，操作簡單、方便、可靠性高，適于推廣應用。

4 結 語

本文以碳纖維管狀復合材料為例，研究了管狀復合材料的拉伸強度測試方法。通過設計專用夾具，對碳纖維管狀復合材料采用整體拉伸法，較準確地測得其拉伸強度，克服了使用常規(guī)拉伸夾具時易出現(xiàn)打滑及夾持端破壞失效等問題，夾具的制作成本較低，可重復利用，性能可靠。該種方法能夠較好地測出碳纖維管狀復合材料的拉伸強度。

開發(fā)了拉伸夾具原型設計系統(tǒng)，便于用戶根據(jù)測試對象的要求，快速地生成相應的拉伸夾具設計方案。該系統(tǒng)具有操作簡單，適應性強，效率高的優(yōu)點。但也需改進，例如界面的美化，圖紙隨參數(shù)動態(tài)變化等，后續(xù)將逐步完善。

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Research on testing methods of tensile strength for tubular composite materials and grip prototype system

SHAN Hongbo, XU Fang, SUN Zhihong,YU Haiyan

(CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

According to the immature testing methods of the current high-strength tubular composite materials, the article elucidates a method of tensile strength for tubular composite materials-the whole stretch method. Through comparative analysis on the basic experiments, the author developed a special grip for overall tensile testing, while also verifying the feasibility and superiority of the grip by experiments. Thereby breaking through the bottleneck of clamping difficulty with the high-strength tubular composite strength test. Based on VB language in Windows environment, developed a tensile grip prototype system suitable for tubular composite materials. The system has four modules corresponding the four main parts of the grip, according to user needs to generate the corresponding design parameters, it can be adapted to the design of various sizes of grip for tubular composite materials, which is simple, practical, and efficient.

tubular composite materials; tensile strength; overall tensile; grip; prototype system

0253- 9721(2013)09- 0134- 05

2012-11-15

2013-05-08

科學技術部支撐計劃資助項目(2011BAF08B03)

單鴻波(1973—)，男，副教授，博士。研究方向為先進產(chǎn)品設計理論和方法、輕量化復合材料3D織造裝備、人因機械工程。孫志宏，通信作者，E-mail：zhsun@dhu.edu.cn。

TB 302.3

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