CN102680325B

CN102680325B - 小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台

Info

Publication number: CN102680325B
Application number: CN201210152073.3A
Authority: CN
Inventors: 赵宏伟; 程虹丙; 马志超; 张爱文; 杜朋; 李泽君; 李玥黎
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: CN102680325A

Abstract

本发明涉及一种小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，属于材料力学性能测试的领域。由驱动模块、拉伸模块、弯曲模块和控制检测模块四部分组成，既可以对试样进行单轴拉伸测试，也可以对试样进行拉弯复合载荷加载下的材料力学性能测试。所述拉伸模块和弯曲模块之间的运动经一个电磁离合器建立联接，在进行测试的过程中，通过控制离合器的通断电控制弯曲模块相对拉伸模块的加载时序，进而间接获取不同比例的拉完组合载荷。本发明构思新颖，整体结构紧凑。为研究试样在拉弯随机复合载荷作用下材料的力学性能提供了一种有效的研究手段，实用性强。

Description

小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试领域，特别涉及一种多载荷模式下的材料力学性能测试装置，尤指一种用于特征尺寸在厘米级以上的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台。

背景技术

传统的测试材料力学性能的测试方法主要有拉伸法、压缩法、扭转法、弯曲法等，并且所用的测试装置在外形尺寸上都比较大，通过对标准化试样施加对应的载荷获得所测材料的各种力学性能参数。然而随着现代科学技术的发展，人们对现代机械结构的性能要求越来越高，针对机械结构在现实中的实际应用状况，机械结构在随机组合载荷作用下的综合力学性能越来越受到人们的重视。很显然运用传统的测试仪器在单独载荷作用下测出的材料性能指标已经无法满足现代机械制造业对材料力学性能的要求。而从实现复合载荷的形式上来分：一种是通过设计特殊形状的试件或夹具并通过力的合成与分解原理来实现多种载荷形式的叠加与解耦，但这种复合载荷模式在同一尺寸的试件上各种载荷的相对比例是固定不变的，要想获得普遍的测试结果必须设计不同尺寸规格大量的试件来进行试验；另一种是运用多个加载模块同时对试件进行加载，以此来模拟材料在现实应运中的受力状态。但如果用多个驱动元件来驱动的话，无形中就会使得装置的结构和控制方面更加复杂化，也会使成本增加。因此结合现在广泛兴起的材料原位测试的理念，开发一种能够模拟机械构件在实际应用中承受不同比例复合载荷的测试仪器具有很大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过一个步进电机进行驱动，既可以实现单轴拉伸测试，也可以在不同的拉伸应力状态下快速的加载弯矩，从而测得在不同拉伸状态下弯矩对试件失效破坏的影响，也即试件在拉弯复合载荷的作用下的损伤失效机制。其结构紧凑，能够测试试样在拉弯不同比例加载下材料的力学性能，该测试平台配合光学显微镜能够实现测试过程的原位观测。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，包括驱动模块、拉伸模块、弯曲模块及控制检测模块，所述驱动模块是步进电机1通过蜗杆、蜗轮3、4与双向丝杠27连接，由步进电机1经蜗杆、蜗轮3、4减速把驱动转矩传递到双向丝杠27上，所述步进电机1通过法兰盘2刚性固定在测试平台底板7上，蜗杆3套接在步进电机1的输出轴上，蜗轮4固定在双向丝杠27的伸出轴端；用定位套筒5保证蜗轮蜗杆的装配特性；在电脉冲的控制下，步进电机输出运动通过蜗轮蜗杆减速装置进行减速和换向；

所述拉伸模块是通过双向滚珠丝杠螺母副带动左右两个拉伸工作台A、B30、29对称拉伸，拉伸工作台A、B30、29分别安装在直线滚动导轨A12的滑块上；通过双向丝杠27的转动，带动拉伸工作台A、B30、29在直线滚动导轨A12上移动，从而实现对试样的拉伸动作。所述的直线滚动导轨A12的下滑轨安装于底板7的定位槽内，确保左右两条直线滚动导轨A、B12、21之间、以及和双向丝杠27的平行度要求；所述的双向丝杠27采用专用的丝杠支承座10支承，丝杠支承座10通过其底座9固定于底板7上；在两个螺母的带动下两个拉伸工作台A、B30、29对称移动，从而保证试件中心待观察点位置的恒定不变性；

所述弯曲模块是通过齿轮、齿条17、22的传动带动弯曲压头26完成三点弯曲测试；弯曲模块是把通过同步带轮A、B8、20和同步齿形带6传递过来的运动经电磁离合器19的结合传递到齿轮轴23上，齿轮轴23带动齿轮17经齿条22把旋转运动转化为齿条安装板14在直线滚动导轨B21上的直线移动，齿条安装板14经弯曲力传感器16带动弯曲压头26完成对试件的压弯动作；所述的直线滚动导轨B21的下滑轨安装于底板7的定位槽内，保证两条导轨的平行度要求，同时满足与试样的垂直度要求；在电磁离合器19断电的情况下，可通过手动的方式推动齿条安装板14调节弯曲压头初始位置，保证弯曲压头26和试样33具有良好的初始接触特性；

所述控制检测模块包括拉伸位移传感器11、弯曲位移传感器15、弯曲力传感器16及拉伸力传感器35，同时还包括一个精密电磁离合器19，通过控制电磁离合器19的通断电切换测试平台的工作模式；所述拉伸模块与弯曲模块之间的运动联接通过同步带轮A、B8、20和同步齿形带6实现，通过电磁离合器19进行时序控制；合理的设置拉弯加载时序可实现单轴拉伸、拉弯定比例加载和拉弯变比例加载等多种工作模式；在本发明的加载测试平台中，所加轴向载荷和弯载荷分别由拉伸力传感器35、弯曲力传感器16进行测量，拉伸位移和弯曲位移分别由拉伸位移传感器11、弯曲位移传感器15进行测。

所述的弯曲力传感器16的一端固定在齿条安装板14对应的支承孔内，另一端通过双头螺柱与弯曲压头26连接，并保证安装孔的轴线通过弯曲压头与试样的接触点；拉伸力传感器35的一端固定在力传感器固定架36上，另一端通过双头螺柱与滑动夹具体28连接，保证传感器安装孔轴线通过试样的对称中心线；拉伸位移传感器11固定端固定在滑动夹具体28相应的安装孔内，拉杆端通过位移传感器支架31与拉伸工作台A30连接，保证位移传感器的安装中心线与两导轨和试样的平行度要求；弯曲位移传感器15的固定端安装在齿条安装板14相应的安装孔内，拉杆端通过位移传感器固定支架13固定在底板7上，保证其和弯曲工作台下的两条直线滚动导轨的平行度要求。

所述的双向丝杠27为左右旋双向丝杠，拉伸过程中左右两拉伸工作台对称拉伸，试样中心目标测点位置固定不变，为定点施加弯曲横向力提供有利条件。

所述的同步带轮B20直接固定在电磁离合器19的外圈法兰盘上，通过内孔轴承37空套在齿轮轴23上，电磁离合器19的内圈通过平键与齿轮轴23联接。

所述的齿条安装板14安装于直线滚动导轨B21的滑块上，系统上电前，可手动调节弯曲压头的初始位置保证其接触特性。

所述的电磁离合器19为精密微电磁离合器，该离合器具有结构紧凑、启动转矩大、启动快速等优点；通过控制电磁离合器19的通断电来控制拉伸和弯曲加载时序和相对比例关系。

所述的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台的整体尺寸为180×160×80mm，与主流显微成像组件具有良好的结构兼容性，可为材料及其制品力学性能的原位测试提供新的研究手段。

本发明的有益效果在于：

1. 本发明构思新颖，整体结构紧凑，通过一个动力源——步进电机，同时带动拉伸和弯曲两个加载模块。这样的设计，避免了设置两个动力源分别驱动两个加载模块的高成本、难控制和结构复杂等缺陷。

2. 本发明虽然两个加载模块由同一动力源驱动，但拉伸和弯曲的加载比例可以通过人为地控制电磁离合器加载时序来进行调节，这就保证了该测试平台既可以实现单独拉伸也可以实现拉弯复合载荷测试，拓宽了已有材料力学测试装置的功能。

3. 本发明所涉及的两大加载模块的加载速率不同，弯曲的加载速率远远大于拉伸的加载速率，这就保证了在试件拉伸到一定阶段时，只要给离合器通电，弯曲横向力马上可以加载到预期效果，不会产生因为拉伸颈缩等现象而使弯曲压头脱离试件的效果。实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的主视示意图；

图3为本发明的俯视示意图；

图4为本发明的试件装夹方式示意图；

图5为本发明的电磁离合器的安装示意图；

图6为本发明实现试件复合载荷加载的原理图，其中，力F _t为拉伸载荷，力F _b为三点弯曲载荷。

图中：1.步进电机，2.法兰盘，3.蜗杆，4.蜗轮，5.定位套筒，6.同步齿形带，7.底板，8.同步带轮A，9.丝杠支承座底座，10.丝杠支承座，11.拉伸位移传感器，12.直线滚动导轨，13.位移传感器固定支架， 14.齿条安装板，15.弯曲位移传感器，16.弯曲力传感器，17.齿轮，18.齿轮轴支承座，19.电磁离合器，20.同步带轮B，21.直线滚动导轨B， 22.齿条，23.齿轮轴，24.支撑体，25.锁紧螺母，26.弯曲压头，27.双向丝杠，28.滑动夹具体，29.拉伸工作台B，30.拉伸工作台A，31.位移传感器支架，32.上压板A，33.试样，34.上压板B，35.拉伸力传感器，36.力传感器固定架，37轴承。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本发明的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，包括驱动模块、拉伸模块、弯曲模块及控制检测模块，所述驱动模块是步进电机1通过蜗杆、蜗轮3、4与双向丝杠27连接，由步进电机1经蜗杆、蜗轮3、4减速把驱动转矩传递到双向丝杠27上，所述步进电机1通过法兰盘2刚性固定在测试平台底板7上，蜗杆3套接在步进电机1的输出轴上，蜗轮4固定在双向丝杠27的伸出轴端；用定位套筒5保证蜗轮蜗杆的装配特性；在电脉冲的控制下，步进电机输出运动通过蜗轮蜗杆减速装置进行减速和换向；

参见图1至图6所示，通过脉冲/方向控制模式驱动步进电机1，步进电机1通过法兰盘2刚性地固定于底板7上，法兰盘底座和底板7通过两个定位销实现定位，并用锁紧螺钉锁紧。蜗杆3直接套接在电机的伸出轴上，用径向螺钉锁紧，与之相配合的蜗轮4安装在双向丝杠27轴端的轴颈上，其轴向定位是通过一个定位套筒5和同步带轮的端面接触配合实现的，亦通过径向锁紧螺钉锁紧。双向丝杠27通过与之配合的左右旋向螺母带动拉伸工作台实现单轴异向运动，同时将旋转运动通过一组同步带轮A、B8、20和同步齿形带6传递到电磁离合器19的外圈法兰上，电磁离合器19的内圈和齿轮轴23通过平键联接，齿轮轴23由齿轮轴支承座18支承，并通过一个锁紧螺母25保证其轴向不发生移动，齿轮轴支承座18通过支承体24固定在底板7上。电磁离合器19通电时，通过齿轮17、齿条22啮合方式驱动齿条安装板14在导轨上做直线移动，从而驱动弯曲压头26实现弯曲动作。试样33的定位是通过上压板A、B32、34上的定位凹槽与拉伸工作台A30及滑动夹具体28上等宽度约束的凸台的配合来实现的（注：试样夹持部分的宽度和凹槽、凸台等宽）。压板A、B32、34上的压紧螺钉用于提供稳定的夹持力。在系统通电之前，电磁离合器19处于断电的状态，此时齿轮轴23与同步带轮B20处于分离状态，因此便于利用手动方式调节齿条安装板的位置用以确定弯曲压头26的初始位置，保证电磁离合器通电后弯曲压头能快速地与试样接触，施加相应的弯曲载荷。

本发明的工作过程如下：

在单独轴向拉伸的工作模式下：首先将所测的小型试样33放置在拉伸工作台A30和滑动夹具体28对应的凸台上，转动双向丝杠27调节试样的初始位置，使其中点恰好为弯曲压头26的压入点。将相应的上压板安装到对应的位置，保证试样的安装轴线与工作台的拉伸方向平行，用压紧螺钉对试样进行压紧。通过脉冲/方向控制方式给定步进电机脉冲信号，在步进电机1的驱动下，蜗轮蜗杆副将运动传递到双向丝杠27上，双向丝杠27的转动通过两个螺母带动拉伸工作台A、B30、29向相反方向移动，完成对试件33的拉伸运动。在整个拉伸过程中拉伸位移传感器11和拉伸力传感器35将采集到的位移和载荷信号经数据采集卡送入到计算机当中，结合相应的上位机算法及软件系统将输入的数据进行拟合、显示等处理，并获取表征材料力学性能的应力应变曲线，进而得到弹性模量、屈服极限、抗拉强度、伸长率等重要力学参数。

在拉弯不同比例加载工作模式下：同上所述，首先将所测的小型试样33放置在拉伸工作台A30和滑动夹具体28对应的凸台上，转动双向丝杠27调节试样33的初始位置，使其中点恰好为弯曲压头26的压入点。将相应的压板安装到对应的位置，保证试样的安装轴线与工作台的拉伸方向平行，用压紧螺钉对试样进行压紧。紧接着手动推动齿条安装板14使弯曲压头26与试样33保持初始接触状态。系统上电之前，首先要设定相应的施加弯矩时所对应的拉伸应力状态点。当通过脉冲/方向控制模式给定步进电机确定转速（此时电磁离合器是处于断电的状态的）带动拉伸模块对试样进行拉伸动作时，位移传感器11和力传感器35把拉伸过程中测得的数据送入到计算机处理获得实时的拉伸应力状态，当达到实验规定的应力状态时，通过计算机发出指令，使电磁离合器19立刻通电，带动齿轮轴旋转，经齿轮齿条使得弯曲压头迅速地压向试样。与此同时弯曲位移传感器15和弯曲力传感器16把弯曲过程的位移和载荷数据经数据采集卡一并送入到计算机中。经相应的上位机算法及软件系统将输入的数据进行拟合、显示等处理获得材料在该拉弯组合模式下的力学性能参数。重复以上的工作，只需设置加载弯矩时不同的拉伸应力状态点就可以测得同种材料在多组不同比例的拉弯复合载荷下的力学性能参数。

整个测试过程中，被测试样在载荷作用下从裂纹的萌生扩展到最后的断裂损伤都会在光学显微成像系统的实时观测之下，对研究材料在不同拉伸应力状态下弯矩对材料破坏损伤机理的研究具有指导性意义。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，其特征在于：包括驱动模块、拉伸模块、弯曲模块及控制检测模块，所述驱动模块是步进电机（1）通过蜗杆（3）、蜗轮（4）与双向丝杠（27）连接，由步进电机（1）经蜗杆（3）、蜗轮（4）减速把驱动转矩传递到双向丝杠（27）上，所述步进电机（1）通过法兰盘（2）刚性固定在测试平台底板（7）上，蜗杆（3）套接在步进电机（1）的输出轴上，蜗轮（4）固定在双向丝杠（27）的伸出轴端；

所述拉伸模块是通过双向丝杠（27）的转动带动拉伸工作台A（30）、拉伸工作台B（29）在直线滚动导轨A（12）上移动，拉伸工作台A（30）、拉伸工作台B（29）分别安装在直线滚动导轨A（12）的滑块上；

所述弯曲模块是通过齿轮（17）、齿条（22）的传动带动弯曲压头（26）完成三点弯曲测试；将同步带轮A（8）、同步带轮B（20）和同步齿形带（6）传递过来的运动经电磁离合器（19）传递到齿轮轴（23）上，齿轮轴（23）带动齿轮（17）经齿条（22）把旋转运动转化为齿条安装板（14）在直线滚动导轨B(21)上的直线移动，齿条安装板（14）经弯曲力传感器（16）带动弯曲压头（26）完成对试件的压弯动作；

所述控制检测模块包括拉伸位移传感器（11）、弯曲位移传感器（15）、弯曲力传感器（16）、拉伸力传感器（35）及精密电磁离合器（19），通过控制电磁离合器（19）的通断电切换测试平台的工作模式；所述拉伸模块与弯曲模块之间的运动联接通过同步带轮A、B（8、20）和同步齿形带（6）实现，通过电磁离合器（19）进行时序控制。

2.根据权利要求1所述的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的弯曲力传感器（16）的一端固定在齿条安装板（14）对应的支承孔内，另一端通过双头螺柱与弯曲压头（26）连接；拉伸力传感器（35）的一端固定在力传感器固定架（36）上，另一端通过双头螺柱与滑动夹具体（28）连接；拉伸位移传感器（11）固定端固定在滑动夹具体（28）相应的安装孔内，拉杆端通过位移传感器支架（31）与拉伸工作台A(30)连接；弯曲位移传感器（15）的固定端安装在齿条安装板（14）相应的安装孔内，拉杆端通过位移传感器固定支架（13）固定在底板（7）上。

3.根据权利要求1所述的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的同步带轮B（20）直接固定在电磁离合器（19）的外圈法兰盘上，通过内孔轴承（37）空套在齿轮轴（23）上，电磁离合器（19）的内圈通过平键与齿轮轴（23）联接。

4.根据权利要求1所述的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的齿条安装板（14）安装于直线滚动导轨B（21）的滑块上。

5.根据权利要求1所述的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，其特征在于所述的拉伸模块中的丝杠为左右旋双向滚珠丝杠。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台，其特征在于：所述的小型试样拉弯复合加载模式材料力学性能测试平台的整体尺寸为180×160×80mm。