碳纤维材料拉伸弯曲试验机的工作原理

信息来源：    发布时间：2026-10-22    点击数：

碳纤维材料拉伸弯曲试验机（伺服电子万能型）工作原理

该机属于高刚性伺服电子万能试验机，专门针对碳纤维复合材料（CFRP）低断裂应变、脆性易分层、对偏心敏感的特点设计；拉伸、弯曲只是更换工装，主机原理不变。

整体简述

测控软件设定试验参数，伺服驱动系统带动横梁按照恒定位移速率运动，对碳纤维试样施加拉伸或者弯曲载荷；应变式力传感器实时采集试样承受的载荷；高精度小变形引伸计 / 视频引伸计采集试样标距段微小变形；计算机同步采集力、变形、时间信号，自动计算强度、弹性模量，生成应力 - 应变曲线。

碳纤维试样应变很小（一般＜2%），机架刚性、加载同轴度、变形测量精度是核心。

各单元详细原理

1. 伺服驱动与传动单元（产生匀速加载动作）

伺服电机 → 联轴器 → 滚珠丝杠 → 移动横梁

1. 软件设置试验速度（碳纤维拉伸 / 弯曲常用：1～2 mm/min）；

2. 伺服驱动器形成位移闭环控制，实时修正电机转速，保证横梁匀速运动；

3. 滚珠丝杠将电机旋转运动转化为横梁竖直直线位移；

4. 横梁内置光电编码器，输出横梁位移，仅作为参考，不能用于模量计算。

设备采用高刚性龙门机架，目的是降低机架自身弹性变形，减小微小应变测试误差。

2. 力测量单元：应变式力传感器

力传感器弹性体上粘贴电阻应变片组成电桥：

1. 试样承受拉力 / 弯曲压力，载荷传递到传感器弹性体，产生微小弹性形变；

2. 应变片随弹性体同步变形，电阻值发生变化；

3. 电桥将电阻变化转化为微弱模拟电压信号，经过放大滤波；

4. 采集卡完成 A/D 模数转换，把模拟信号转为数字信号送入软件，换算为力值。

碳纤维测试重点：传感器需要良好抗侧向弯矩能力；加载偏心会引入附加弯矩，造成模量偏低、数据离散。

3. 变形测量单元（碳纤维试验关键）

碳纤维变形极小，必须用引伸计采集试样标距段真实应变，分两种：

1. 接触式 B-1 级小变形引伸计 刀口夹持在试样标距段；试样受力产生微小伸长，引伸计内部弹性元件发生位移，应变片输出变形信号，用于拉伸模量、泊松比仲裁测试。

2. 视频引伸计（光学非接触） 相机追踪试样表面标记点，图像算法识别坐标变化，同时采集纵向、横向应变，适合容易分层、不方便夹持刀口的试样，用来测试泊松比。

横梁编码器位移包含机架、传感器、连接件的弹性变形，不可用来计算拉伸模量、弯曲模量。

4. 测控软件系统

1. 闭环控制：实时对比设定速度与横梁实际位移，动态调节伺服电机，保持恒定加载速率；

2. 同步采样：力、变形、时间三路信号同步采集；

3. 自动计算：

\(应力\ \sigma=\frac{F}{A}\)

\(应变\ \varepsilon=\frac{\Delta L}{L_0}\)

\(弹性模量\ E=\frac{\Delta\sigma}{\Delta\varepsilon}\) 4. 实时绘制应力 - 应变曲线；试样断裂后自动停机，过载保护保护传感器；脆性碎片由防护罩防护。

两种试验模式的工作过程

拉伸试验（GB/T3354）

更换液压楔形拉伸夹具；碳纤维试样两端粘贴加强片装夹，安装小变形引伸计；横梁向上移动，对试样施加轴向拉力；传感器测拉力，引伸计测标距伸长，直至试样断裂。

弯曲试验（GB/T3356）

拆除拉伸夹具，安装三点 / 四点弯曲工装；试样放置在支撑辊上，横梁带动压头向下施加集中载荷；力传感器采集弯曲载荷，引伸计采集试样挠度，计算弯曲强度与弯曲模量。

四点弯曲优先用于模量测试，减少压头接触应力带来的干扰。

碳纤维机型特有原理要点

1. 对同轴加载要求极高：CFRP 各向异性，微小偏心就会叠加弯曲应力，导致数据离散，航空项目需定期做同轴校验；

2. 试样失效形式：脆性断裂、分层、劈裂，断裂瞬间产生碎片飞溅，必须配备安全防护罩；

3. 加载模式：国标静态拉伸、弯曲均采用位移控制。

校准要点

1. 力传感器：JJG139，单独校准；

2. 小变形引伸计：JJG762，独立校准；

3. 同轴校验属于实验室期间核查项目，不属于计量检定。

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