一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具的制作方法
【專利摘要】一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具，該試驗夾具包含形狀、結構和外形尺寸都基本相同的上夾具和下夾具兩部分，典型試件被夾具的滑塊夾持在上夾具和下夾具之間；兩部分夾具都含有底座、底座上部、滑塊、夾具前端；該典型試件呈120度圓弧狀，內設有一個典型的縱橫筋“井”字結構，為了避免典型試件的兩邊先于試件的中部破壞，在邊界上布置加強筋；加強筋的尺寸需要經過有限元數值模擬屈曲計算確定加強筋的大?。槐緦嵱眯滦歪槍Φ湫驮嚰奶卣髟O計特定的夾具來夾緊固定典型試件，把夾具作為中間媒介把力從試驗機夾頭傳遞到典型試件，確保典型試件的中部先于邊界破壞。
【專利說明】一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具，屬于航空航天設備與工藝【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在航空航天領域中有很多的飛行器具有蒙皮加筋圓柱殼結構。航空航天飛行器在起飛、發(fā)射、機動階段承受很大的過載，這些過載將會在蒙皮加筋圓柱殼結構的軸向引起較大的軸向壓縮載荷，較大的壓縮載荷使得軸向壓縮失穩(wěn)屈曲是較大可能的結構失效方式。隨著復合材料在航空航天領域應用的越來越廣泛，復合材料層合板蒙皮加筋圓柱殼結構的失穩(wěn)屈曲問題將是被重點關注的問題。復合材料結構的性能和穩(wěn)定性與其制造工藝有很大的關聯(lián)性，必須通過一些具有典型鋪層和典型結構的試驗件來測定、驗證相應蒙皮加筋圓柱殼結構的抗屈曲性能。然而這些典型試件沒有專門的夾具固定進行壓縮屈曲試驗，這就需要設計制作特定的夾具來夾持典型試件進行軸向壓縮穩(wěn)定性試驗。
[0003]為了節(jié)約材料及試驗成本，典型試件不制作成360度圓心角的蒙皮加筋圓柱殼結構，考慮到相應飛行器的筋條布置情況，典型試件制作成120度圓心角的蒙皮加筋圓柱殼結構，典型試件中的縱橫筋條至少要組成一個“井”字結構。為了防止典型試件的邊界首先開始失穩(wěn)屈曲破壞，典型試件的兩邊布置加強筋加強。但是，如果加強筋的截面尺寸太小，則加強筋剛度太弱，起不到加強的效果。如果加強筋的截面尺寸太大，則加強筋剛度過強，材料沒有得到節(jié)約。所以，加強筋的尺寸需要有限元數值模擬計算確定，確保加強筋的剛度足夠，失穩(wěn)破壞首先在典型試件的中部發(fā)生，同時確保加強筋的尺寸不過大。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是:蒙皮加筋圓柱殼結構典型試件既要節(jié)省材料又要有蒙皮加筋圓柱殼結構的典型特征；典型試件的夾緊固定；把試驗機上夾頭的豎直向下的壓力很好的傳遞到典型試件上；避免典型試件的邊界首先發(fā)生屈曲失穩(wěn)；避免壓縮載荷集中到加強筋。
[0005]本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是:針對典型試件的特征設計特定的夾具來夾緊固定典型試件；把夾具作為中間媒介把力從試驗機夾頭傳遞到典型試件；經過有限元數值模擬計算設計適當大小的加強筋來增強典型試件的邊界，確保典型試件的中部先于邊界破壞；為了避免壓縮載荷集中到加強筋上，加強筋的長度小于典型試件的長度。
[0006]本發(fā)明是一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具與典型試件(圖1)，該試驗夾具包含形狀、結構和外形尺寸都基本相同的上夾具(圖2)和下夾具(圖3)兩部分，其間關系是:典型試件(圖8)被夾具的滑塊夾持在上夾具和下夾具之間。兩部分夾具都含有底座(圖4)、底座上部(圖5)、滑塊(圖6)、夾具前端(圖7)。底座與底座上部之間用6個螺栓連接固定，夾具前端與底座之間用5個螺栓連接固定，旋轉夾具前端上的推力螺栓推動滑塊夾緊典型試件。該底座呈T型狀，其上部設有底座固定螺栓螺紋孔，側邊設有與夾具前端連接的螺紋孔。該底座上部呈凹型狀，上、下夾具的底座上部的區(qū)別是:上夾具的底座上部沒有加強筋槽，而下夾具的底座上部設有對稱的凹型加強筋槽。該滑塊呈凸型狀，與底座上部的凹型相配合，上夾具的滑塊有對稱的縱筋槽，下夾具的滑塊既有對稱的縱筋槽又有對稱的加強筋槽，這些對稱的縱筋槽和加強筋槽與典型試件的縱筋和加強筋相配合。上、下夾具的底座上部和滑塊的區(qū)別是與典型試件在邊界效應上的考慮相對應的。該夾具前端是矩形板料件，其上設有螺紋孔，上排為推力螺栓螺紋孔，下排為前端固定螺栓螺紋孔。該典型試件呈120度圓弧狀，內設有一個典型的縱橫筋“井”字結構，為了避免典型試件的兩邊先于試件的中部破壞，在邊界上布置加強筋。加強筋的尺寸既不能太小也不宜太大，太小加強筋的剛度不夠，起不到增強效果，太大則浪費材料，所以需要經過有限元數值模擬屈曲計算確定加強筋的大小。為防止壓力集中到剛度較大的加強筋上，加強筋與典型試件的上端有一段距離，這段距離適中，依據試驗確定，既不能太大也不能太小，太大則沒有被加強的邊界可能先發(fā)生失穩(wěn)破壞，太小則上夾具的滑塊底面在試驗過程中會頂在加強筋端面上，壓力隨后將集中在剛度較大的加強筋上。
[0007]該夾具夾緊典型試件的工況可分為以下幾步:
[0008]1、用底座固定螺栓把底座與底座上部連接固定。
[0009]2、用前端固定螺栓把夾具前端與底座連接固定。
[0010]3、把典型試件的下端放入下夾具底座上部的圓弧凹槽中，試件的邊界加強筋放入底座上部的加強筋槽中,試件的下端頂住下夾具底座。
[0011]4、把滑塊放入夾具前端與典型試件之間，滑塊的縱筋槽和加強筋槽與試件的縱筋和加強筋相配合。
[0012]5、扭動推力螺栓，推力螺栓前端向前進，推動滑塊壓緊典型試件的下夾持端。
[0013]6、下夾具夾緊典型試件即可把試件水平放置進行夾緊操作，又可把試件豎直放置進行夾緊操作。在下夾具夾緊試件之后，上夾具夾緊試件上端時，最好把試件水平放置進行夾緊操作。上夾具夾緊試件上端的步驟與下夾具夾緊試件下端的步驟類似。
[0014]7、試驗機的上、下夾頭分別夾住上、下夾具底座上的加持柄，夾頭前端平面頂住底座底面。
[0015]七步之后就完成了夾具對典型試件的夾持和試驗機夾頭對夾具的夾持。在試驗過程中，下夾頭靜止不動，上夾頭豎直向下運動。試驗機上夾頭豎直向下的壓縮載荷通過上夾頭傳遞到試件上，試件在壓縮載荷的作用下發(fā)生屈曲失穩(wěn)行為。
[0016]優(yōu)點及功效:本發(fā)明是一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具與典型試件，其優(yōu)點及功效是:1、夾具夾緊典型試件的操作簡單、可行。2、夾具與典型試件有很好的配合度，夾具對典型試件的夾持緊密、可靠。3、試驗機夾頭對夾具的夾持方便、可靠。4、把夾具作為中間媒介，試驗機夾頭的向下壓縮載荷可以很好的傳遞到典型試件。5、典型試件的圓心角為120°，即節(jié)省了材料又保證了典型試件具有蒙皮加筋圓柱殼結構的典型特征。6、考慮邊界效應，典型試件的邊界布置了恰當大小的加強筋，確保屈曲失穩(wěn)首先發(fā)生在試件中部，且加強筋截面不過大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為試驗夾具與典型試件示意圖。[0018]圖2為下夾具拆解示意圖。
[0019]圖3為上夾具拆解示意圖。
[0020]圖4a是底座三維圖。
[0021 ]圖4b是底座正視圖。
[0022]圖5a是下夾具底座上部三維圖。
[0023]圖5b是下夾具底座上部正視圖。
[0024]圖6a是下夾具滑塊三維圖。
[0025]圖6b是下夾具滑塊正視圖。
[0026]圖7a是夾具前端三維圖。
[0027]圖7b是夾具前端正視圖。
[0028]圖8a是典型試件三維圖。
[0029]圖8b是典型試件正視圖。
[0030]圖8c是典型試件左視圖。
[0031]圖9a是典型試件與夾具裝配體的工程圖之正視圖。
[0032]圖9b典型試件與夾具裝配體工程圖之剖視圖A-A。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0034]見圖1，本發(fā)明是一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具與典型試件，該試驗夾具包含形狀、結構和外形尺寸都基本相同的上夾具和下夾具兩部分，其間關系是:典型試件被夾具的滑塊夾持在上夾具和下夾具之間。兩部分夾具都含有底座、底座上部、滑塊、夾具前端。底座與底座上部之間用6個螺栓連接固定，夾具前端與底座之間用5個螺栓連接固定，旋轉夾具前端上的推力螺栓推動滑塊夾緊典型試件。該底座呈T型狀，其上部設有底座固定螺栓螺紋孔，側邊設有與夾具前端連接的螺紋孔。該底座上部呈凹型狀，上、下夾具底座上部的區(qū)別是:上夾具的底座上部沒有加強筋槽，而下夾具的底座上部設有凹型的加強筋槽。該滑塊呈凸型狀，與底座上部的凹型相配合，上夾具的滑塊有對稱的縱筋槽，下夾具的滑塊既有對稱的縱筋槽又有對稱的加強筋槽，這些對稱的縱筋槽和加強筋槽與典型試件的縱筋和加強筋相配合。上、下夾具的底座上部和滑塊的區(qū)別是與典型試件在邊界效應上的考慮相對應的。該夾具前端是矩形板料件，其上設有螺紋孔，上排為推力螺栓螺紋孔，下排為前端固定螺栓螺紋孔。該典型試件呈120度圓弧狀，內設有一個典型的縱橫筋“井”字結構，為了避免典型試件的兩邊先于試件的中部破壞，在邊界上布置加強筋。加強筋的尺寸既不能太小也不宜太大，太小加強筋的剛度不夠，起不到增強效果，太大則浪費材料，所以需要經過有限元數值模擬屈曲計算確定加強筋的大小。為防止壓力集中到剛度較大的加強筋上，加強筋與典型試件的上端有一段距離，這段距離適中，依據試驗確定；既不能太大也不能太小，太大則沒有加強的邊界先發(fā)生失穩(wěn)破壞，太小則上夾具的滑塊底面在試驗過程中會頂在加強筋端面上，壓力隨后將集中在剛度較大的加強筋上。
[0035]圖2為下夾具拆解示意圖。下夾具包含4個零件:底座，底座上部，滑塊，夾具前端。還包括6個底座固定螺栓，5個前端固定螺栓，5個墊片。底座固定螺栓固定底座和底座上部，前端固定螺栓固定夾具前端和底座，旋轉推力螺栓，推動滑塊，滑塊夾緊典型試件。底座上部的加強筋槽用以放置試件加強筋的外側，滑塊的加強筋槽用以放置試件加強筋的內側，縱筋槽用以放置試件縱筋。
[0036]圖3為上夾具拆解示意圖。上夾具與下夾具的組成零件是一樣的，上夾具的底座上部和滑塊在細節(jié)上與下夾具的底座上部和滑塊不一樣。上夾具的底座上部和滑塊沒有了加強筋槽。
[0037]圖4a是底座三維圖，圖4b是底座正視圖。底座呈T型狀，由長方體鋁塊加工而成，夾持柄與底座底面之間通過焊接連接。夾持柄的作用是試驗機夾頭夾緊固定夾具，夾持柄與底座底面之間的槽的作用是為了便于試驗機夾頭在夾持夾持柄時頂在底座底面上。上面螺孔是底座固定螺栓螺紋孔，側面螺孔是前端固定螺栓螺紋孔。
[0038]圖5a是下夾具底座上部三維圖，圖5b是下夾具底座上部正視圖。下夾具底座上部呈凹型狀，由長方體鋁塊加工而成，首先加工出具有設計要求長、寬、高的長方形鋁塊，再加工出圓弧凹槽，接著在圓弧凹槽上加工出加強筋凹槽，最后在底面攻螺紋孔。圓弧凹槽與典型試件蒙皮的外側接觸，加強筋槽放置典型試件的加強筋外側，底面的6個螺紋孔與底座固定螺栓相配合。上夾具底座上部與下夾具底座上部相比少了 2個加強筋槽，上、下夾具的底座上部的區(qū)別是與典型試件在邊界效應上的考慮相對應的。
[0039]圖6a是下夾具滑塊三維圖，圖6b是下夾具滑塊正視圖。下夾具滑塊呈凸型狀，由底座上部加工圓弧凹槽時切割下來的料加工而成，滑塊的圓弧面上加工2個加強筋槽，2個縱筋槽?；瑝K的圓柱面與典型試件的內側接觸，加強筋槽放置試件加強筋的內側，縱筋槽放置試件的縱筋。上夾具滑塊與下夾具滑塊相比少了 2個加強筋槽，上、下夾具的滑塊的區(qū)別是與典型試件在邊界效應上的考慮相對應的。
[0040]圖7a是夾具前端三維圖，圖7b是夾具前端正視圖。夾具前端由長方體鋁塊加工而成，其上攻了螺紋通孔。夾具前端的下排為5個與前端固定螺栓相配的螺紋孔，上排為4個與推力螺栓相配的螺紋孔。
[0041]圖8a是典型試件二維圖，圖8b是典型試件正視圖，圖8c是典型試件左視圖。試件圓柱面的圓心角為120°，試件的縱環(huán)筋組成一個“井”字。該試件由碳纖維環(huán)氧樹脂單向帶鋪設而成，試件的加工工藝有熱壓罐成型和RTM工藝成型。為避免典型試件的邊界先于中間部分屈曲破壞，在試件的兩邊布置加強筋，同時為避免壓縮載荷集中到加強筋上，加強筋與試件上端留有一段距離，使得加強筋與夾具表面有一小段距離，這一小段距離必須要大于上夾具在試件失穩(wěn)破壞之前的向下運動距離，否則，上夾具在向下運動一段距離之后，夾具表面將頂住加強筋端面，壓縮載荷將會集中到剛度較強的加強筋上。加強筋的截面尺寸經過有限元數值模擬計算得到，確保試件中部先于邊界失穩(wěn)破壞，加強筋的寬度是20_，內、外側厚度都是8mm,縱筋和環(huán)筋的寬度都是IOmm,厚度都是2mm,為了拔模方便加強筋、縱筋和環(huán)筋都設計了拔模角。
[0042]圖9a是典型試件與夾具裝配體的正視圖，圖9b是典型試件與夾具裝配體剖視圖A-A0典型試件與夾具裝配件的三維圖如圖1所示。底座固定螺栓總長為32_，螺帽為9_，螺桿長23mm，螺紋為公制細牙螺紋，螺桿直徑為10mm，螺距為1mm，螺桿底部有I X Imm的倒角。前端固定螺栓總長為40mm，螺帽為9mm，螺桿長31mm，螺紋為公制細牙螺紋，螺桿直徑為IOmm,螺距為Imm,螺桿底部有IXlmm的倒角。推力螺栓總長為29mm,螺帽為4mm,螺桿長25mm，螺紋為公制細牙螺紋，螺桿直徑為10mm，螺距為1mm，螺桿底部有I X Imm的倒角。[0043]試驗夾具與典型試件的實用性經過了試驗驗證。在試驗過程中，“砰”的一聲，試件中部出現(xiàn)凹陷，試件屈曲破壞。試驗結果與有限元模擬結果誤差較小，兩者的屈曲破壞位置與模式也吻合較好。本設計中在底座底面上加有夾持柄，試驗時，試驗機夾頭夾住夾持柄，夾頭端部平面頂住底座底面。
【權利要求】
1.一種蒙皮加筋圓柱殼結構的試驗夾具，其特征在于:該試驗夾具包含形狀、結構和外形尺寸都基本相同的上夾具和下夾具兩部分，典型試件被夾具的滑塊夾持在上夾具和下夾具之間；兩部分夾具都含有底座、底座上部、滑塊、夾具前端；底座與底座上部之間用6個螺栓連接固定，夾具前端與底座之間用5個螺栓連接固定，旋轉夾具前端上的推力螺栓推動滑塊夾緊典型試件；該底座呈T型狀，其上部設有底座固定螺栓螺紋孔，側邊設有與夾具前端連接的螺紋孔；該底座上部呈凹型狀，上、下夾具的底座上部的區(qū)別是:上夾具的底座上部沒有加強筋槽，而下夾具的底座上部設有對稱的凹型加強筋槽；該滑塊呈凸型狀，與底座上部的凹型相配合，上夾具的滑塊有對稱的縱筋槽，下夾具的滑塊既有對稱的縱筋槽又有對稱的加強筋槽，這些對稱的縱筋槽和加強筋槽與典型試件的縱筋和加強筋相配合；該夾具前端是矩形板料件，其上設有螺紋孔，上排為推力螺栓螺紋孔，下排為前端固定螺栓螺紋孔；該典型試件呈120度圓弧狀，內設有一個典型的縱橫筋“井”字結構，在邊界上布置加強筋。
【文檔編號】B25B11/00GK203765492SQ201320849123
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權日:2013年12月20日
【發(fā)明者】李成虎, 武哲, 程小全, 殷實, 劉麗莎 申請人:北京航空航天大學