复合材料预埋件力学性能试验设计与研究.pdf

文章编号:():./.复合材料预埋件力学性能试验设计与研究彭立群林达文王 进雷志敏沈 奎曾 智(、株洲时代新材料科技股份有限公司湖南 株洲、国家轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心(湖南)湖南 株洲)摘 要:针对复合材料预埋件力学性能试验分析了预埋件的结构及试验标准设计一种新型压拉式方案代替拉伸式方案重点应用新型方案研究预埋件静态强度、极限性能和疲劳性能 研究表明:新型试验设计满足要求且能将大吨位压缩载荷转换成拉伸载荷操作方便、实用性强对同类产品研发和试验起一定的指导作用关键词:复合材料预埋件力学性能试验研究中图分类号:.文献标识码:参考文献引用格式:彭立群林达文王进等.复合材料预埋件力学性能试验设计与研究.轨道交通材料():.基金项目:湖南省科技创新计划项目()收稿日期:作者简介:彭立群()男本科高级工程师从事复合材料结构件试验设计及研究 引 言复合材料预埋件(简称预埋件)是指事先将预埋螺栓套管放置于复合材料中间通过特殊的成型工艺制成一种标准或非标的结构件通过螺栓实现与其他部件的装配达到方便维修和快速替换的目的这种复合材料结构件不仅能大幅提高结构的强度而且还可以实现结构的轻量化在轨道交通、风电和工业装备轻量化、非标设计领域有着广泛的应用前景作为一种新型的复合材料结构件在工程化应用之前都需要模拟实际工况进行试验尤其是结构件的静态强度和疲劳性能更需要对其进行合理、全面的试验 目前对预埋件的研究大都局限于仿真分析计算但有关预埋件具体、系统的试验研究鲜有报道因此本文以国内某企业送检的某型预埋件为研究对象不仅设计了一套新型的力学性能试验方案而且对预埋件进行了试验研究 预埋件预埋件试样设计成 型结构主要由 螺栓、预埋套管和本体材料组成为便于夹持和施加载荷在试样 型面加工有通孔如图 所示复合材料预埋套管螺栓图 预埋件结构 试验.标准分析复合材料预埋件是一种非标部件目前还没有专用试验标准试验可以参考 纤维增强塑料 循环负荷条件下的疲劳性能的测定 该标准规定了纤维增强塑料复合材料在等幅和等频循环载荷条件下的疲劳性能及 曲线的试验方法加载方式分弯曲和拉伸两种 曲线的应力水平分 个等级分别为最大应力的、和 最大应力是样品破坏时的极限值试验需在 种应力水平条件下进行 次重复试验以排除因样品差异对试验数据的影响 通过上述组合试验最后得出不同应力水平条件下样品的疲劳寿命并绘制材料试样的 曲线预埋件力学性能试验实施细则是株洲时代新材料科技股份有限公司于 年 月起草的预埋件力学性能试验通用技术条件该技术条件实现了非标预埋件的标准化给出了预埋件静态性能、疲劳性能、破坏性能的具体试验方法规定了样品制试验检测 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月作、加载原理、载荷标定、验收准则等其中试验采用一种新型的压拉式加载代替传统的拉伸式加载将大吨位压力机转换成大吨位拉力机大大提高了试验装置的可靠性和疲劳寿命 综上所述对预埋件进行相应的非标试验设计具有非常重要的意义.载荷标定预埋件在进行整体试验前需要对螺栓进行载荷标定包括标准拉力机测试和液压预紧验证 个步骤分别如图()和图()所示 标准拉力机测试:在疲劳试验用螺栓中间位置贴应变片整体安装于拉力机上下夹具中间通过试验机对螺栓施加规定的轴向拉力得出等效应变值液压预紧验证:通过液压扳手对锁紧螺母施加扭矩使螺栓形成向上的拉力使测定应变值与标定应变值相等 同时预紧力需大于疲劳载荷峰 且小于螺栓的屈服强度以避免疲劳试验过程中频繁地更换螺栓进而耽误试验进度、浪费试验资源 因为试验考核的重点是预埋件而不是螺栓图 载荷标定.试验方案拉伸式:试验由试验机架、导向横梁、垂向油缸、上部连接工装和下部固定工装组成 预埋件以垂向方式安装于垂向油缸的中心位置下端通过下部固定工装实现预埋件与试验平台固定下端通过连接工装和导向横梁与垂向油缸连接通过油缸施加的拉伸载荷实现对预埋件的静态强度和疲劳试验 这种方式可以实现自动加载和数据记录功能但试验机油缸一般设计为单出头结构即油缸活塞向下产生压力的面积要大于向上产生拉力的面积在同等压力的条件下向上的拉伸力要小于向下的压力而这种加载方式是一种纯拉力的加载试验无法实现大载荷的加载试验如图()所示压拉式:试验由支撑装置、夹持装置和加载转换装置组成预埋件上端通过 螺栓以悬挂方式固定于支撑装置中心位置在下端 型面通过两侧的夹板和两根锁紧螺栓穿过材料本体然后通过螺栓拧紧实现对试样的夹持加载转换装置以跨座方式对称安装于夹持装置的两侧将试验机大的压缩载荷转换成对预埋件的拉拔力实现大载荷的静态强度和疲劳性能试验 这种方式克服了纯拉伸试验加载荷小、工装强度不足的缺点发挥了试验机压缩优于拉伸的优点满足预埋件系统力学性能试验的要求如图()所示图 垂向油缸拉伸加载压拉式试验装置采用的是一种模块化和标准化设计理念不仅适用于不同加载吨位试验机极限加载试验的安装要求而且可以拓展到材料拉伸试验和预埋件的偏心加载试验要求极限加载试验:设计一种箱式独立框架式或 立柱结构的机架通过垂向上置单个或多个油缸对预埋件施加压缩载荷通过试验工装转换成拉伸力测试试样的最大破坏载荷和粘接状态图()和图()分别给出了预埋件 和 两种大吨位极限加载试验方案图 /极限试验叶片材料及偏载试验:图()和图()分别给出了复合材料中心加载和预埋件偏心加载试验方案 其中材料拉伸试验是指对现有装置进行优化改进将预埋件的材料制做成标准试样进行拉伸性能测试 所述的新型装置是指下端夹持装置设计成圆盘结构在四周均布导向钢套并穿过导向柱同时在上下端夹持处均设计有 型槽构成的夹持厚度可调装置保证试样受力中心在同一轴线提高试验数彭立群林达文等 复合材料预埋件力学性能试验设计与研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月据的准确性 偏心加载试验是指设计预埋件以组对方式进行试验预埋螺栓与支撑装置上平板中心产生一定的偏距测试在偏心承载工况下预埋件的静态强度和极限性能图 材料及偏载试验.试验装置试验装置由 通道疲劳试验机和专用试验工装组成试验机垂向最大载荷为 位移行程 精度 由机架、导向横梁和油缸组成如图 所示 试验工装采用 进行三维模块化、标准化设计图 试验方案试验工装由支撑装置、加载装置、夹紧装置组成(见图)预埋件通过螺栓下端连接于预埋套管、上端固定于支撑座利用夹持装置固定叶片材料本体设计加力座从两侧对夹持装置施加压缩载荷从而转换成拉力对预埋件进行强度和疲劳试验支撑装置由横梁、支撑杆、底板组成如图()所示 其中横梁由双层平板焊接加强筋构成一种质量轻、强度高的支撑横梁横梁中间加工有通孔用于固定预埋件螺栓 下端设计成四立柱结构通过底板构成一种稳定结构的支撑装置加载装置由横梁、支撑杆、底板组成如图()所示 其中横梁由双层平板焊上平板、吊环、加强筋、侧板、固定螺栓和定位板组成 其中加载装置设计成两侧对称型上端面设计有 型槽与试验机连接同时配制有吊环方便安装下端设计有对中用图 试验工装加载方式图 试验工装固定块和螺栓其作用是负责将垂向油缸载荷传递于夹持装置夹持装置由左夹板、销钉、右夹板、螺母组成(见图)其中左、右夹板的内侧面均匀设计有锯齿槽增加表面粗糙度通过销钉和螺母将夹板与材料本体夹紧形成一个整体彭立群林达文等 复合材料预埋件力学性能试验设计与研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 夹持装置.分析计算为验证试验装置结构强度是否满足试验要求对工装关键承载件支撑装置、加载装置和夹持装置的静态特性求解其中销钉材料为 其余均为 钢调质处理()结果分别如图、图 所示均满足试验要求图 支撑装置和加载装置应力云图图 销钉和夹板应力云图 结果与讨论.静态强度.试验方法试验设计在 通道试验机上进行试验采用载荷控制方式垂向以 /加载速度对预埋件施加载荷 保持 试验过程中和试验后观察预埋件是否产生破坏或异常.结果及分析静态强度是保证预埋件正常工作的重要参数螺栓强度、套管与材料粘接状态是静态强度的主要参数螺栓强度:螺栓与预埋套管是通过螺纹连接强度分析包括螺栓本身承受拉伸力的承载特性同时还包括螺纹与套管的连接状态 接螺栓材料为.级屈服极限为:个试样在 时螺栓均未断裂、无异常这表明预埋件具有较好的静态强度粘接状态:套管拉出和复合材料开裂是判定预埋件粘接状态的重要参数其中套管拉出与预埋深度和套管外表面黏合强度有关套管拉出直接导致复合材料开裂 从试验数据来分析试样在承受规定拉力时套管均未被拉出、复合材料未出现开裂现象这表明预埋件具有较好的黏合强度.极限性能.试验方法试验采用位移控制方式进行垂向以./速度加载对预埋件施加压缩载荷直到样品破坏记录极限破坏载荷与变形曲线如图 所示观察极限性能试验后样品状态图 极限载荷与变形曲线.结果及分析最大破坏力、最大变形及粘接状态是预埋件极限性能中的主要参数最大破坏力:从图 得知在.倍常规载荷的作用下试样载荷随变形持续呈线性递增当预埋件发生破坏或粘接失效时变形保持不变载荷急剧下降至零 个试样中破坏载荷最大值为.最小值为.这表明该预埋件具有较好的极限承载特性产品质量也比较稳定最大变形:从图 得知变形整体随载荷增加而线性递增 个试样中破坏变形最大值为.最小值为.试样的变形包括试验工装接触间隙、螺栓的屈服变形和试样粘接变形造成 样品变形过大的原因主要是试验安装间隙导致其余样品变形基本一致这表明产品质量比较稳定同时所有试样均在载荷值为 时出现一个变形平坦期平坦期的变形值约 这表明该结构的预埋件在 会产生第一次屈服变形但不会彭立群林达文等 复合材料预埋件力学性能试验设计与研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月导致产品产生破坏载荷值超过 至破坏载荷期间产品仍保持一种线性刚度粘接状态:结果表明所有预埋件只是粘接处失效导致螺栓滑出螺栓均未断裂和破坏这表明螺栓具有较好的静态强度满足使用要求.疲劳性能.试验方法垂向加载 频率 循环加载 万次试验过程中观察预埋件是否破坏或异常.结果及分析疲劳试验是验证预埋件在循环交变载荷条件的耐久性能为得出样品质量稳定性特选用 件样品进行分析比对试验 件样品在相同疲劳试验条件均未破坏这表明螺栓强度、套管粘接强度均满足要求产品制造工艺稳定、质量可靠 结束语()分析了复合材料预埋件的使用工况设计了预埋件力学性能试验方案重点介绍了一种新型的以压代拉试验方案为预埋件产品的试验设计提供参考()研究表明:新型试验设计满足要求且能将大吨位压缩载荷转换成拉伸载荷操作方便实用性强对预埋件及同类产品的研发和试验起一定的指导作用参考文献:吴彦波仇艳龙.螺栓预埋型风电叶片预埋件静力拉拔测试研究.天津科技.():.韩玉清吕路勇.风轮叶片叶根疲劳强度分析方法的研究.新能源及工艺():.彭立群林达文.风电叶片预埋件拉伸疲劳试验装置及方法.中国:.彭立群林达文.非标螺栓力学性能试验设计及应用.铁道车辆():.彭立群林达文.双层动车组转向架扭杆弹性元件试验设计与研究.铁道机车车辆():.彭立群林达文.转向架一系悬挂试验设计与研究.铁道机车车辆():.彭立群林达文.跨座式单轨车转向架牵引机构试验设计与研究.铁道机车车辆():.(.):.:彭立群林达文等 复合材料预埋件力学性能试验设计与研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月