一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置

1.本发明涉及一种夹持装置，具体涉及一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置。


背景技术：

2.随着航空航天行业的发展，行业中对材料的要求也越来越高，越来越多的复合材料被运用于空天行业中。在飞机起飞、巡航、降落的过程中，机身会经历100℃至-55℃的温度变化，这样的温度变化以及温度差对机身材料以及整体结构造成的影响是十分显著和关键的，因此，具有高性能的金属与复合材料混合结构在飞机中的占比也越来越大。
3.基于ccar-25《运输类飞机适航标准》的标准规定，需要对金属与复合材料混合结构的热应力进行测试，以保证其用于机身上后在经历100℃至-55℃的温度变化仍能保持结构强度和稳定，因此对于金属与复合材料混合结构的探究愈发重要。
4.中国专利cn202210436691.4提出了一种飞机用金属-复合材料混合结构的热应力的测量方法，该方法包括以下步骤：一、根据飞机用金属-复合材料混合结构获取测试试件及标准试件；二、应变片的灵敏系数的标定；三、对标准试件进行热输出测量；四、对测试试件进行总应变测量；五、飞机用金属-复合材料混合结构的热应力获取。但该专利中仅是提供了一种测量方法，但并未公开具体所使用的测量系统和结构，尤其是起夹持作用的夹持装置/结构会与材料同步受到加热的效果，若夹持装置/结构的设计存在不合理，则容易使试件及测试装置受到损坏，或是测得的数据不准确，因而对于夹持装置的设计也是十分重要的。
5.因此，本技术为克服上述问题提出了一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，以解决现有技术在热应力测试中缺少夹持试件的装置的问题，本夹持装置可减小甚至消除热膨胀对试验结果的影响，并能够满足结构强度和稳定性。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：
8.一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，所述的夹持装置内夹持有待测试的试件，该夹持装置包括夹块、轴向板和固定件；
9.所述的夹块由试件两侧夹住试件，夹块与试件相接触的表面设置为毛面，毛面可以增大摩擦系数，为试件提供摩擦力；
10.所述的轴向板分别由夹块外侧夹紧夹块，并通过固定件固定轴向板，对试件形成约束。
11.优选地，所述的夹持装置由因瓦合金制成，因瓦合金具有极低的热膨胀系数，这种
性质使得它能够在很宽的温度范围内保持固定长度。
12.优选地，所述的夹块为三级的阶梯结构，其中，中间级的表面为毛面，所述的试件夹持于两侧夹块的中间级之间。
13.优选地，所述的夹块的中间级的宽度略大于试件的宽度即可，进一步优选夹块的中间级的宽度比试件的宽度宽约0.1cm。
14.优选地，所述的夹块设有两组，分别夹持于试件的两端；夹块和轴向板可以提供加持力、摩擦力和轴向力，从而保证模拟试验的试件两端夹持的效果。
15.优选地，所述的轴向板中部开设槽孔，所述的试件表面贴合有应变片，应变片的接线由槽孔中引出。
16.优选地，所述的固定件为螺栓和螺母，所述的轴向板上设置有若干固定孔，所述的夹块于首级与末级上对应的开设有通孔，所述的螺栓依次穿过固定孔和通孔后通过螺母固定。
17.优选地，所述的通孔于夹块上等间距的间隔设置。
18.优选地，所述的轴向板的长度与试件的长度相等；所述的夹块的宽度与轴向板的宽度相等；夹块的首级的宽度与末级的宽度相等，中间级的宽度大于首级的宽度。
19.优选地，所述的毛面可选择普通火花面(普通火花面为使用电火花放电加工技术进行制作的表面，在这种加工中，电极和工件被浸没在介质之中，然后施加电压，产生一系列的电火花放电，这些火花放电产生高热和高压气泡，进而可在表面形成细小坑洞)，该表面的表面粗糙度ra为1.6-3.2，进一步优选为1.8。更进一步可通过切割刻痕增强表面摩擦，在夹具与试验件的接触面上进行刻痕加工，通过在夹具表面切割一系列的小槽或v型槽，使得夹具表面形成交错的小块。交错v型槽的槽间距为2-4mm，深度为0.5-1.5mm，进一步优选v型槽的槽间距为3mm，深度为1mm。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.(1)采用夹块和轴向板相结合，以轴向板为核心的方式对混合结构的轴向变形进行约束；于夹块处设置部分毛面，增大摩擦系数，利用摩擦力约束混合结构的轴向变形；配合螺栓提供夹持力，对混合结构进行夹持。
22.(2)其中轴向板需要在中间部位开槽，以供应变片接线、方便数据采集；夹块则是呈三层阶梯状。
23.(3)除此之外，本发明采用了低膨胀系数材料——因瓦合金，能避免远场热应力测试过程中普通夹持装置产生热应变，从而尽可能保证试验结果准确性。
24.综上所述，本发明选用因瓦合金作为夹持装置的材料，可以减小甚至消除夹具热膨胀对试验结果的影响。除此之外，可通过以限制轴向应变为约束；以螺栓个数、螺栓预拉力、摩擦系数为参数；以轴向总应变为目标构建目标函数；在实现结构优化、多目标融合、满足结构强度和稳定性的前提下，保证夹持装置尽可能合理且最优，可获得更精准的实验结果。
25.因而，采用本夹持装置进行夹持而测定的热应力实验结果可作为ccar-25.305以及25.307条款的试验依据。
附图说明
26.图1为实施例1中的夹持装置的立体结构示意图；
27.图2为实施例1中的夹块的结构示意图，其中，图2(a)为夹块的立体结构示意图，图2(b)为夹块的正视结构示意图，图2(c)为夹块的俯视结构示意图，图2(d)为夹块的侧视结构示意图；
28.图3为实施例1中的轴向板的结构示意图，其中，图3(a)为轴向板的立体结构示意图，图3(b)为轴向板的正视结构示意图，图3(c)为轴向板的俯视结构示意图，图3(d)为轴向板的侧视结构示意图；
29.图中：1-试件；2-夹块；3-轴向板；4-固定件。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
31.实施例1
32.一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，如图1-3所示，所述的夹持装置内夹持有待测试的试件1，该夹持装置包括夹块2、轴向板3和固定件4；
33.所述的夹块2由试件1两侧夹住试件1，夹块2与试件1相接触的表面设置为毛面，毛面可以增大摩擦系数，为试件1提供摩擦力；
34.所述的轴向板3分别由夹块2外侧夹紧夹块2，并通过固定件4固定轴向板3，对试件1形成约束。
35.更具体地，本实施例中：
36.如图1-3所示，本实施例提供一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，该夹持装置的设计方法如下：
37.(1)选用因瓦合金作为夹持装置的材料；
38.(2)两块轴向板3和四个夹块2；
39.(3)轴向板3为中部开口，两端开孔的细长型板；
40.(4)夹块2样式为三层阶梯状；
41.(5)根据试件1初始结构参数初步建立夹持装置模型；
42.(6)进行模型调试，确认最终夹持装置设计图。
43.以下以一具体算例说明本发明方法的具体执行过程：
44.1.根据试验件结构初始参数初步建立夹具模型
45.针对某构型试件1，进行初始参数测量；该试件1长度为418.25mm，宽度为38.1mm，厚度为6.1mm。
46.夹块2的每层阶梯高度均为5mm，总宽度为93mm；第一层和第三层阶梯的宽度为27mm，第二层阶梯用以放置试件1夹持端，所以宽度略大于试件1宽度，取39mm，同时选用普通火花面、表面粗糙度ra＝1.8，从而增大摩擦系数；夹持端长度为108mm，所以夹块2的长度为108mm。第一层和第三层均在层间中部开孔，用于穿过固定件4，孔径为8.5mm，孔与孔沿长度方向排列、间距为27mm。
47.轴向板3的长度与试件1相同，为418.25mm；轴向板3的宽度与夹块2宽度相同，为93mm。轴向板3上的打孔位置与夹块2的打孔位置相同，用于穿过固定件4。中部开孔位置为
轴向板3中部，长175mm、宽50mm。
48.固定件4选用螺栓和螺母，螺栓依次穿过轴向板3与夹块2上的开孔后，两端通过螺母锁定。
49.2.进行模型调试，确认最终夹持装置设计图。
50.计算螺栓所需要提供的预拉力及夹具所需要提供的摩擦力，摩擦力需要足够大，以保证在温度变化时，试件1的端部不发生滑移，如果不可，进行适当更改，比如增加螺栓个数、选择摩擦系数更大的毛面类型等(根据验证结果进行确定)。该设计使用轴向板3约束试件1轴向应变以满足试验要求，将螺栓个数、螺栓预紧力、摩擦系数参数化，以轴向应变为目标建立目标函数，进行参数化分析，以确保轴向应变为0。并且确保在满足变温条件、结构强度和稳定性的前提下，保证夹持装置尽可能合理且最优。
51.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的夹持装置内夹持有待测试的试件(1)，该夹持装置包括夹块(2)、轴向板(3)和固定件(4)；所述的夹块(2)由试件(1)两侧夹住试件(1)，夹块(2)与试件(1)相接触的表面设置为毛面，为试件(1)提供摩擦力；所述的轴向板(3)分别由夹块(2)外侧夹紧夹块(2)，并通过固定件(4)固定轴向板(3)，对试件(1)形成约束。2.根据权利要求1所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的夹持装置由因瓦合金制成。3.根据权利要求2所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的夹块(2)为三级的阶梯结构，其中，中间级的表面为毛面，所述的试件(1)夹持于两侧夹块(2)的中间级之间。4.根据权利要求3所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的夹块(2)的中间级的宽度比试件(1)的宽度宽0.1cm。5.根据权利要求3所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的夹块(2)设有两组，分别夹持于试件(1)的两端。6.根据权利要求5所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的轴向板(3)中部开设槽孔，所述的试件(1)表面贴合有应变片，应变片的接线由槽孔中引出。7.根据权利要求3所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的固定件(4)为螺栓和螺母，所述的轴向板(3)上设置有若干固定孔，所述的夹块(2)于首级与末级上对应的开设有通孔，所述的螺栓依次穿过固定孔和通孔后通过螺母固定。8.根据权利要求7所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的通孔于夹块(2)上等间距的间隔设置。9.根据权利要求3所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的轴向板(3)的长度与试件(1)的长度相等；所述的夹块(2)的宽度与轴向板(3)的宽度相等；夹块(2)的首级的宽度与末级的宽度相等，中间级的宽度大于首级的宽度。10.根据权利要求3所述的一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，其特征在于，所述的毛面的表面粗糙度ra＝1.6-3.2。

技术总结
本发明涉及一种夹持装置，具体涉及一种金属与复合材料混合结构远场热应力测试的夹持装置，所述的夹持装置内夹持有待测试的试件，该夹持装置包括夹块、轴向板和固定件；所述的夹块由试件两侧夹住试件，夹块与试件相接触的表面设置为毛面，为试件提供摩擦力；所述的轴向板分别由夹块外侧夹紧夹块，并通过固定件固定轴向板，对试件形成约束。与现有技术相比，本发明解决现有技术在热应力测试中缺少夹持试件的装置的问题，本夹持装置可减小甚至消除热膨胀对试验结果的影响，并能够满足结构强度和稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：周洲 丛智远 蒋东杰 鲍祝安 郭拓
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/26