[发明专利]测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置和试验方法

权利要求书

1.测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：包括上端板、下端板、半圆形钢条、轴向应变片、环向应变片；上端板和下端板的结构相同，均包括圆形的端板和位于端板中心的圆柱形凸起，两条半圆形钢条通过粘胶固定在端板上，两条半圆形钢条与圆柱形凸起之间形成一条环形的凹槽，凹槽用于容纳管状受压试样的端部，凹槽内填充高强度石膏将试样的端部与端板固定；轴向应变片和环向应变片均环绕试样圆周均布在试样的外表面，且位于试样的中部。

2.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：还包括若干钢片，钢片垫在试样的端部与端板之间，以确保试样的管壁垂直于端板。

3.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：圆柱形凸起的外径比试样的名义直径小10mm。

4.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：半圆形钢条的内径比试样的名义直径大40mm。

5.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：一个沿着轴向设置的轴向应变片和一个沿着环向设置的环向应变片组成一组应变片；应变片的数量为多组，在试样高度一半的位置处沿圆周均匀粘贴在试样外壁上。

6.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：还包括对试样进行轴心加压的加压设备。

7.测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，采用权利要求1至6中任一项所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：包括如下步骤：

a.试样制作：从复合材料管上截取试样；

b.试样安装：将试样的上端套入上端板中心的圆柱形凸起中，并初步对中；沿试样两个垂直的径向，通过角尺调整试样的端面，同时通过在试样的端面添加钢片的方法来确保试样管壁与端板垂直；通过粘胶将两根半圆形钢条固定在端板上，两根半圆形钢条之间的缺口处暂时用胶布封闭；配制高强度石膏胶体，并将其填充到凹槽内；待凹槽内高强度石膏硬化后，倒转试样，进行下端板的安装，方法同上端板的安装；

c.加载：试验的加压设备采用微机控制电液伺服试验机，吨位的选择使试样施加载荷落在满载的10％～90％范围内，且不应小于试验机最大吨位的4％；对试样均匀加压，加压速度为试样轴向应变每分钟增加0.06％，且加载过程保证上、下端板平行；

d.数据的选取和计算：选取试验过程中规定的轴向应变范围的试验数据，计算得到复合材料管的轴向压缩线性参数和非线性参数。

8.按照权利要求7所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，其特征在于：步骤a中，试样取自于试验所用或工程实际所用同批次的复合材料管，试样总数不少于5个；试样的端部进行打磨处理，修平管壁上的胶瘤或突起物。

9.按照权利要求7所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，其特征在于：步骤d中，轴向压缩线性参数包括轴向压缩强度、轴向压缩弹性模量和泊松比，非线性参数包括轴向压缩割线模量和轴线压缩割线泊松比。

10.按照权利要求9所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，其特征在于：计算过程为，

按照式(1)计算试样的轴向压缩强度：

式中：

P_c——试样的轴向压缩强度(MPa)；

F_c，max——试样的最大轴压载荷(N)；

d——试样的平均内径(mm)；

t——试样的平均厚度(mm)；

按照式(2)计算试样的轴向应力：

式中：

σ_x——试样的轴向应力(MPa)；

F_c——试样的轴压载荷(N)；

按照式(3)计算轴向压缩弹性模量：

式中：

E_x——试样的轴向压缩弹性模量(MPa)；

Δε_x——试样弹性范围内的平均轴向应变增量，应至少为0.2％，优选平均轴向应变0.1％～0.3％的范围；

Δσ_x——与平均轴向应变增量Δε_x对应的平均轴向应力增量(MPa)；

按照式(4)计算试样的泊松比：

式中：

ν_xθ——试样的轴向压缩泊松比；

Δε_θ——与平均轴向应变增量Δε_x对应的平均环向应变增量；

按照式(5)计算试样轴向压缩的应变能密度：

式中：

ε_x，i——试样第i个平均轴向应变，从大于等于0.01％开始取值，到最大轴压载荷点结束；

σ_x，i——与ε_x，i对应的第i个轴向应力(MPa)；

U_i——与ε_x，i对应的第i个轴向压缩应变能密度(MPa)；

按照式(6)计算试样的轴向压缩割线模量：

式中：

E_x，sec，i——与ε_x，i对应的第i个轴向压缩割线模量；

按照式(7)计算试样的轴向压缩割线泊松比：

式中：

ν_{xθ，sec，i}——与ε_x，i对应的第i个轴向压缩割线泊松比；

ε_θ，i——与ε_x，i对应的第i个平均环向应变；

根据计算结果分别绘制轴向压缩应变能密度～轴向割线模量U_i～E_x，sec，i和轴向压缩应变能密度～轴向割线泊松比U_i～v_{xθ，sec，i}数据点；

通过最小二乘法拟合所得的数据点，得到复合材料管复合受力状态下，即双向受力或三向受力状态下，用复合材料管应变能密度所表达的轴向割线模量用式(8)表达：

式中：

E_x，sec——复合材料管双向受力状态下的轴向割线模量(MPa)；

A，B，C——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线模量数据得到的轴向割线模量非线性系数；

U^*——轴压试样最大载荷时的轴向压缩应变能密度(MPa)；

——轴压试样最大载荷时的轴向切线模量(MPa)；

D，F——为U＞U^*后轴向割线模量非线性参数，分别用式(9)和(10)计算：

复合材料管复合受力状态下，应变能密度所表达的轴向泊松比用式(11)表达：

式中：

ν_xθ，sec——复合材料管双向受力状态下的轴向泊松比；

a，b，c——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线泊松比数据得到的轴向割线泊松比非线性系数；

——轴压试样最大载荷时的轴向切线泊松比；

d，f——为U＞U^*后轴向割线泊松比非线性参数，分别用式(12)和(13)计算：

对于结构工程用复合材料管，通常忽略复合材料管剪切变形，复合材料管处于轴向压缩和环向拉伸状态，认为处于双向受力状态，因此复合材料管双向受力状态下的应变能密度用式(14)计算：

式中：

σ_x，ε_x——分别为复合材料管双向受力状态下的轴向应力(MPa)和应变；

σ_θ，ε_θ——分别为复合材料管双向受力状态下的环向应力(MPa)和应变；

因此有了双向受力复合材料管管任意时刻的应变能密度，公式(14)，即通过公式(8)～(13)获得当前受力状态下考虑复合材料管非线性的轴向割线模量E_x，sec和轴向割线泊松比ν_xθ，sec。