一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具

1.本发明涉及材料力学性能测试领域，尤其是涉及一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具。


背景技术：

2.纤维材料凭借其均衡的机械性能及良好的尺寸稳定性，常被用作增强体，被广泛应用于国防、医疗等尖端科学领域，在工程实际应用中，纤维材料常暴露在外界环境下，不可避免地受到中高应变率载荷的情况，这就对纤维材料中高应变率范围内的力学性能提出了更高的要求。由于纤维材料的特殊性，人们对于纤维材料的研究主要集中在准静态情况下，而在中高应变率下的研究成为纤维材料的重点和难点，因此，纤维材料在中高应变率下的动态力学性能及响应特征的研究显得尤为重要。
3.纤维束的中高应变率拉伸性能测试可用落锤实验机完成，但该实验装置得到的材料性能曲线的原理为利用落锤将压转拉，以实现对纤维束的中高应变率加载，该方式为间接加载。而更高应变率下的动态力学性能通常使用霍普金森拉杆实验获得，但由于纤维束的特殊性，其与杆之间的广义波阻抗有较大的差距，透射信号难以测量，此外，在试件夹持过程中，很容易引起纤维扭转加捻，给实验造成较大误差。因此这两种方法均无法高精度实现对纤维束的中高应变率拉伸性能测试。
4.此外，还可以使用中高应变率拉伸机，中高应变率拉伸机虽能够开展中高应变率测试，但在进行动态性能测试中，该实验机上端夹具为非固定夹持端，试验机上夹具需在高速运行过程中突然对试件进行夹紧，从而实现拉伸加载，这导致对于纤维束等柔性纤维束无法开展实验。


技术实现要素：

5.发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，优化结构，降低成本并提高可靠性，能够解决纤维束等柔性材料动态力学研究过程中夹持问题，保证实验过程中的安全性与结果的准确性。
6.技术方案：一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，包括夹具上筒体、楔形夹头组件、夹具下筒体、上锁止辅助板、下锁止辅助板，夹具上筒体与夹具下筒体同轴间隔对称设置并通过多个限位导柱连接，夹具上筒体与夹具下筒体的相对端上分别开设有梯形槽一、梯形槽二，梯形槽一、梯形槽二内分别卡设有一个楔形夹头组件，试件夹紧于两个楔形夹头组件之间，上锁止辅助板自夹具上筒体的另一端穿设其中并与对应的一个楔形夹头组件抵合，下锁止辅助板自夹具下筒体的另一端穿设其中并与对应的另一个楔形夹头组件抵合。
7.夹具上筒体与上锁止辅助板配合后，通过上锁止辅助板与高应变率vhs实验机非固定夹持端相连接；夹具下筒体与下锁止辅助板配合后，通过下锁止辅助板与高应变率vhs实验机固定夹持端相连接。
8.进一步的，楔形夹头组件包括工形导向柱、对称楔形夹头，工形导向柱包括平行间隔设置的上饼体和下饼体，以及连接支撑两者的中部立柱，对称楔形夹头设有两个，对称间隔设置并分别卡设于工形导向柱的相对两侧，两个对称楔形夹头卡设于梯形槽一或梯形槽二中并分别与其内表面贴合，上饼体与上锁止辅助板或下锁止辅助板抵合。
9.最佳的，对称楔形夹头的夹持面上沿横向开设有矩形通槽，并在矩形通槽上方沿纵向开设有与矩形通槽连通的半圆孔槽，对称楔形夹头上、与夹持面相对的一侧面为斜面，楔形夹头组件置于梯形槽中时，下饼体卡设于矩形通槽中，半圆孔槽的内表面与中部立柱外周面贴合。
10.最佳的，两个对称楔形夹头的夹持端的相对一侧面上分别设有夹持倒齿。
11.工形导向柱整体呈工字结构，中部立柱与上下饼体一体成型，保证对称楔形夹头轴向受力均匀，限制一对对称楔形夹头的自由度，确保其收紧不发生偏移。通过工形导向柱与夹具上、下筒体内的斜面限制对称楔形夹头的自由度，从而保证对称楔形夹头夹持稳定，一对对称楔形夹头对称放置，夹持端内侧设置有夹持倒齿，防止试件在实验过程中发生脱落滑移现象。
12.进一步的，夹具上筒体的中部沿轴向开设有与梯形槽一连通的通孔一，通孔一的内周面上沿轴向等间隔开设有多个导向通槽一，通孔一与梯形槽一连通的一端面上、在通孔一的外圈还等间隔开设有多个限位短槽一，导向通槽一与限位短槽一数量相等，上锁止辅助板穿设于通孔一中并通过限位短槽一限位。
13.进一步的，夹具下筒体的中部沿轴向开设有与梯形槽二连通的通孔二，通孔二的内周面上沿轴向等间隔开设有多个导向通槽二，通孔二与梯形槽二连通的一端面上、在通孔二的外圈还等间隔开设有多个限位短槽二，导向通槽二与限位短槽二数量相等，下锁止辅助板穿设于通孔二中并通过限位短槽二限位。
14.进一步的，上锁止辅助板包括矩形板本体一，其一端同轴固定有锁止紧固柱体一，锁止紧固柱体一的自由端上沿轴向开设有盲孔一，柱状弹簧一的一端与盲孔一的内底面固定，另一端连接有一挤压饼体一，锁止紧固柱体一的自由端的外周面上还等间隔固定有多个定位块一，锁止紧固柱体一穿设于夹具上筒体中，定位块一与夹具上筒体卡接，挤压饼体一与对应的一个楔形夹头组件抵合，矩形板本体一的外表面设有防滑纹。
15.上锁止辅助板用以连接夹具上筒体的同时，柱状弹簧一通过挤压饼体一压紧工形导向柱，进而使对称楔形夹头在梯形槽一中紧固，防滑纹能够防止在中高应变率拉伸机工作中发生滑移现象。安装时，定位块一从导向通槽一中通过，让后通过旋转上锁止辅助板，使定位块一对应卡设于限位短槽一中。
16.进一步的，下锁止辅助板包括矩形板本体二，其一端同轴固定有锁止紧固柱体二，锁止紧固柱体二的自由端上沿轴向开设有盲孔二，柱状弹簧二的一端与盲孔二的内底面固定，另一端连接有一挤压饼体二，锁止紧固柱体二的自由端的外周面上还等间隔固定有多个定位块二，锁止紧固柱体二穿设于夹具下筒体中，定位块二与夹具下筒体卡接，挤压饼体二与对应的另一个楔形夹头组件抵合，矩形板本体二的外表面设有防滑纹。
17.下锁止辅助板与下锁止辅助板的工作原理大致相同。
18.进一步的，梯形槽一的斜面一、梯形槽二的斜面二的倾斜角度均为70
°
～80
°
。
19.最佳的，限位导柱的数量为三个，呈三角形排列，限位导柱的一端与夹具上筒体固
定，夹具下筒体上对应设有多个限位凹槽，限位导柱的另一端插入对应的限位凹槽中。
20.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
21.(1)本发明装置结构简单、安装便捷、可重复利用、安全性高。
22.(2)本发明为纤维等柔性材料进行高应变率测试提供了新的方法。
23.(3)本发明为中高应变率拉伸机提供了一套纤维束等柔性材料动态力学测试的可靠夹具。
24.(4)本发明一定程度上避免了试件在夹持过程中发生扭转加捻，保证实验结果的准确性。
25.(5)本发明采用斜面自然夹紧与锁止紧固结构辅助夹紧，避免了试件在高应变率实验中发生结构滑移拔出等现象，确保了实验的安全性。
26.(6)本发明能够保证纤维束等柔性材料的有效测试长度不发生变化，保证在实验过程中试件与夹具的同心度。
附图说明
27.图1是本发明的工作时的立体结构示意图；
28.图2是本发明的平面结构示意图；
29.图3是夹具上筒体的侧向结构示意图；
30.图4是夹具上筒体的端面结构示意图；
31.图5是夹具下筒体的侧向结构示意图；
32.图6是夹具下筒体的端面结构示意图；
33.图7是工形导向柱的结构示意图；
34.图8是对称楔形夹头的结构示意图；
35.图9是上锁止辅助板的结构示意图；
36.图10是下锁止辅助板的结构示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
38.一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，如图1～10所示，包括夹具上筒体1、楔形夹头组件、夹具下筒体4、上锁止辅助板5、下锁止辅助板6。
39.夹具上筒体1与夹具下筒体4同轴间隔对称设置并通过多个限位导柱1-2连接，如设置三个限位导柱1-2，使其呈三角形排列的稳定支撑结构，限位导柱1-2的一端与夹具上筒体1的端面固定，夹具下筒体4的端面上对应设有三个限位凹槽4-2，限位导柱1-2的另一端插入对应的限位凹槽4-2中，通过控制限位导柱1-2的长度来满足试件7的有效测试长度，使纤维束等柔性材料在限位导柱1-2的支撑下能够垂直同心。
40.夹具上筒体1与夹具下筒体4的相对端上分别开设有梯形槽一1-1、梯形槽二4-1，均为等腰梯形槽，梯形槽一1-1的斜面一1-4、梯形槽二4-1的斜面二4-4的倾斜角度均为70
°
～80
°
。
41.夹具上筒体1的中部沿轴向开设有与梯形槽一1-1连通的通孔一1-3，通孔一1-3的
内周面上沿轴向等间隔开设有多个导向通槽一1-6，通孔一1-3与梯形槽一1-1连通的一端面上、在通孔一1-3的外圈还等间隔开设有多个限位短槽一1-5，导向通槽一1-6与限位短槽一1-5数量相等，上锁止辅助板5自夹具上筒体1的另一端穿设于通孔一1-3中并通过限位短槽一1-5限位。
42.上锁止辅助板5包括矩形板本体一，其一端同轴固定有锁止紧固柱体一5-1，锁止紧固柱体一5-1的自由端上沿轴向开设有盲孔一，柱状弹簧一5-4的一端与盲孔一的内底面固定，另一端连接有一挤压饼体一5-3，锁止紧固柱体一5-1的自由端的外周面上还等间隔固定有多个定位块一5-2，定位块一5-2数量与限位短槽一1-5数量相等，锁止紧固柱体一5-1穿设于夹具上筒体1的通孔一1-3中，定位块一5-2首先通过导向通槽一1-6滑至通孔一1-3末端，然后通过旋转上锁止辅助板5使定位块一5-2对应与限位短槽一1-5卡接，矩形板本体一位于中高应变率拉伸机非固定加持端，矩形板本体一的外表面设有防滑纹，保证在实验机高速运转时夹持紧固。
43.夹具下筒体4的中部沿轴向开设有与梯形槽二4-1连通的通孔二4-3，通孔二4-3的内周面上沿轴向等间隔开设有多个导向通槽二4-6，通孔二4-3与梯形槽二4-1连通的一端面上、在通孔二4-3的外圈还等间隔开设有多个限位短槽二4-5，导向通槽二4-6与限位短槽二4-5数量相等，下锁止辅助板6自夹具下筒体4的另一端穿设于通孔二4-3中并通过限位短槽二4-5限位。
44.下锁止辅助板6包括矩形板本体二，其一端同轴固定有锁止紧固柱体二6-1，锁止紧固柱体二6-1的自由端上沿轴向开设有盲孔二，柱状弹簧二6-4的一端与盲孔二的内底面固定，另一端连接有一挤压饼体二6-3，锁止紧固柱体二6-1的自由端的外周面上还等间隔固定有多个定位块二6-2，定位块二6-2的数量与导向通槽二4-6数量相等，锁止紧固柱体二6-1穿设于夹具下筒体4的通孔二4-3中，定位块二6-2首先通过导向通槽二4-6滑至通孔二4-3的另一端，然后通过转动下锁止辅助板6使定位块二6-2对应卡设于限位短槽二4-5中，矩形板本体二的外表面设有防滑纹。矩形板本体二位于中高应变率拉伸机固定夹持端，用以支撑整个夹具。
45.梯形槽一1-1、梯形槽二4-1内分别卡设有一个楔形夹头组件，试件7夹紧于两个楔形夹头组件之间。
46.楔形夹头组件包括工形导向柱2、对称楔形夹头3，工形导向柱2包括平行间隔设置的上饼体2-1和下饼体2-3，以及连接支撑两者的中部立柱2-2，对称楔形夹头3设有两个，对称间隔设置并分别卡设于工形导向柱2的相对两侧，两个对称楔形夹头3卡设于夹具上筒体1的梯形槽一1-1中或卡设于夹具下筒体4的梯形槽二4-1中并分别与其内表面贴合。
47.上饼体2-1与上锁止辅助板5或下锁止辅助板6抵合。挤压饼体一5-3通过柱状弹簧一5-4的作用，与对应的一个上饼体2-1抵合，挤压饼体二6-3通过柱状弹簧二6-4的作用，与对应的另一个上饼体2-1抵合。中部立柱2-2用以支撑上饼体2-1与下饼体2-3，限制对称楔形夹头3的自由度，保证对称楔形夹头3安装的同心性，同时，柱状弹簧一5-4、柱状弹簧二6-4将轴向力通过挤压饼体一5-3、挤压饼体二6-3由工形导向柱2均匀的传递到一对对称楔形夹头3的中心。
48.对称楔形夹头3的夹持面3-3上沿横向开设有矩形通槽3-1，并在矩形通槽3-1上方沿纵向开设有与矩形通槽3-1连通的半圆孔槽3-2，对称楔形夹头3上、与夹持面3-3相对的
一侧面为斜面，楔形夹头组件置于梯形槽中时，下饼体2-3卡设于矩形通槽3-1中，半圆孔槽3-2的内表面与中部立柱2-2外周面贴合，两个对称楔形夹头3的夹持端的相对一侧面上分别设有夹持倒齿，进一步保证夹持的可靠性。
49.本夹具可对纤维束等柔性材料进行高应变率拉伸测试实验，研究其在较高应变率下的力学性能，上述用于中高应变率拉伸机的纤维束动态加载夹具的装配方法，包括以下步骤：
50.步骤一：安装对称楔形夹头3，先将对称楔形夹头圆孔3-2与工形导向柱立柱2-2组装配合，使对称楔形夹头3与夹具上筒体斜面1-4契合，同样的，安装对称楔形夹头3与夹具下筒体4使其完美配合。
51.步骤二：安装上锁止辅助板5，通过锁止紧固柱体一5-1，将上锁止辅助板5的定位块一5-2通过导向通槽一1-6与夹具上筒体1通过限位短槽一1-5相配合，挤压饼体一5-3与工形导向柱2同心配合，类似的，将下锁止辅助板6的定位块二6-2与夹具下筒体4通过限位短槽二4-5相配合。
52.步骤三：将夹具上筒体1下端面限位导柱1-2表面均匀涂抹一层油膜，然后将其准确放置在夹具下筒体的限位凹槽4-2，使限位导柱1-2与限位凹槽4-2轴向滑动配合。
53.步骤四：将纤维束等柔性材料固定于加强板，制成夹持的试件7，放置于对称楔形夹头3轴向，上锁止辅助板锁止紧固柱体一5-1通过柱状弹簧一5-4将轴向力由挤压饼体一5-3传递至工形导向柱2，从而压实对称楔形夹头3，同时，夹持面3-3夹紧试件7一端，夹具上筒体斜面1-4与夹具下筒体斜面4-4紧压对称楔形夹头3，对试件7进行二次夹紧，同样的，下锁止辅助板6对试件7另一端进行夹紧。
54.步骤五：将装配好的夹具放置于高应变率vhs实验机，下锁止辅助板6固定于实验机固定夹持端，夹紧贴合，上锁止辅助板5放置于实验机非固定加持端。
55.步骤六：整体安装完成后，检查各个部件的安装连接情况，随后进行高应变率加载试验。
56.非固定加持端产生一定初始速度，通过中高应变率拉伸机，当达到固定值，非固定加持端立刻收紧，将上锁止辅助板5夹紧，试件7由于瞬时产生的冲击力产生损伤破坏，限位导柱1-2与限位凹槽4-2受到轴向力脱离拔出，柱状弹簧一5-4通过挤压饼体一5-3与工形导向柱2的设计在产生冲击力的同时实现了试件7的实时夹紧，保证了试件7与对称楔形夹头3的有效贴合，从而避免了试件7的滑移现象，同时，本夹具保证了试件7的同心性，防止了在安装试件7时扭转加捻的现象，使实验精度更高，保证实验结果的准确性。

技术特征：
1.一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：包括夹具上筒体(1)、楔形夹头组件、夹具下筒体(4)、上锁止辅助板(5)、下锁止辅助板(6)，夹具上筒体(1)与夹具下筒体(4)同轴间隔对称设置并通过多个限位导柱(1-2)连接，夹具上筒体(1)与夹具下筒体(4)的相对端上分别开设有梯形槽一(1-1)、梯形槽二(4-1)，梯形槽一(1-1)、梯形槽二(4-1)内分别卡设有一个楔形夹头组件，试件(7)夹紧于两个楔形夹头组件之间，上锁止辅助板(5)自夹具上筒体(1)的另一端穿设其中并与对应的一个楔形夹头组件抵合，下锁止辅助板(6)自夹具下筒体(4)的另一端穿设其中并与对应的另一个楔形夹头组件抵合。2.根据权利要求1所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：楔形夹头组件包括工形导向柱(2)、对称楔形夹头(3)，工形导向柱(2)包括平行间隔设置的上饼体(2-1)和下饼体(2-3)，以及连接支撑两者的中部立柱(2-2)，对称楔形夹头(3)设有两个，对称间隔设置并分别卡设于工形导向柱(2)的相对两侧，两个对称楔形夹头(3)卡设于梯形槽一(1-1)或梯形槽二(4-1)中并分别与其内表面贴合，上饼体(2-1)与上锁止辅助板(5)或下锁止辅助板(6)抵合。3.根据权利要求2所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：对称楔形夹头(3)的夹持面(3-3)上沿横向开设有矩形通槽(3-1)，并在矩形通槽(3-1)上方沿纵向开设有与矩形通槽(3-1)连通的半圆孔槽(3-2)，对称楔形夹头(3)上、与夹持面(3-3)相对的一侧面为斜面，楔形夹头组件置于梯形槽中时，下饼体(2-3)卡设于矩形通槽(3-1)中，半圆孔槽(3-2)的内表面与中部立柱(2-2)外周面贴合。4.根据权利要求2所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：两个对称楔形夹头(3)的夹持端的相对一侧面上分别设有夹持倒齿。5.根据权利要求1所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：夹具上筒体(1)的中部沿轴向开设有与梯形槽一(1-1)连通的通孔一(1-3)，通孔一(1-3)的内周面上沿轴向等间隔开设有多个导向通槽一(1-6)，通孔一(1-3)与梯形槽一(1-1)连通的一端面上、在通孔一(1-3)的外圈还等间隔开设有多个限位短槽一(1-5)，导向通槽一(1-6)与限位短槽一(1-5)数量相等，上锁止辅助板(5)穿设于通孔一(1-3)中并通过限位短槽一(1-5)限位。6.根据权利要求1所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：夹具下筒体(4)的中部沿轴向开设有与梯形槽二(4-1)连通的通孔二(4-3)，通孔二(4-3)的内周面上沿轴向等间隔开设有多个导向通槽二(4-6)，通孔二(4-3)与梯形槽二(4-1)连通的一端面上、在通孔二(4-3)的外圈还等间隔开设有多个限位短槽二(4-5)，导向通槽二(4-6)与限位短槽二(4-5)数量相等，下锁止辅助板(6)穿设于通孔二(4-3)中并通过限位短槽二(4-5)限位。7.根据权利要求1所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：上锁止辅助板(5)包括矩形板本体一，其一端同轴固定有锁止紧固柱体一(5-1)，锁止紧固柱体一(5-1)的自由端上沿轴向开设有盲孔一，柱状弹簧一(5-4)的一端与盲孔一的内底面固定，另一端连接有一挤压饼体一(5-3)，锁止紧固柱体一(5-1)的自由端的外周面上还等间隔固定有多个定位块一(5-2)，锁止紧固柱体一(5-1)穿设于夹具上筒体(1)中，定位块一(5-2)与夹具上筒体(1)卡接，挤压饼体一(5-3)与对应的一个楔形夹头组件抵合，矩形板本体一的外表面设有防滑纹。
8.根据权利要求1所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：下锁止辅助板(6)包括矩形板本体二，其一端同轴固定有锁止紧固柱体二(6-1)，锁止紧固柱体二(6-1)的自由端上沿轴向开设有盲孔二，柱状弹簧二(6-4)的一端与盲孔二的内底面固定，另一端连接有一挤压饼体二(6-3)，锁止紧固柱体二(6-1)的自由端的外周面上还等间隔固定有多个定位块二(6-2)，锁止紧固柱体二(6-1)穿设于夹具下筒体(4)中，定位块二(6-2)与夹具下筒体(4)卡接，挤压饼体二(6-3)与对应的另一个楔形夹头组件抵合，矩形板本体二的外表面设有防滑纹。9.根据权利要求1所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：梯形槽一(1-1)的斜面一(1-4)、梯形槽二(4-1)的斜面二(4-4)的倾斜角度均为70
°
～80
°
。10.根据权利要求1所述的一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，其特征在于：限位导柱(1-2)的数量为三个，呈三角形排列，限位导柱(1-2)的一端与夹具上筒体(1)固定，夹具下筒体(4)上对应设有多个限位凹槽(4-2)，限位导柱(1-2)的另一端插入对应的限位凹槽(4-2)中。

技术总结
本发明公开了一种用于纤维束中高应变率拉伸实验的同轴夹具，包括夹具上筒体、楔形夹头组件、夹具下筒体、上锁止辅助板、下锁止辅助板，夹具上筒体与夹具下筒体同轴间隔对称设置并通过多个限位导柱连接，夹具上筒体与夹具下筒体的相对端上分别开设有梯形槽一、梯形槽二，梯形槽一、梯形槽二内分别卡设有一个楔形夹头组件，试件夹紧于两个楔形夹头组件之间，上锁止辅助板自夹具上筒体的另一端穿设其中并与对应的一个楔形夹头组件抵合，下锁止辅助板自夹具下筒体的另一端穿设其中并与对应的另一个楔形夹头组件抵合。本发明操作简单，夹持紧固，可满足纤维束等柔性材料试件高应变率性能测试，开发成本低，且适用性强。且适用性强。且适用性强。


技术研发人员：任鹏 高雯博 周欣伟
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/15