CN102928295B - 小型自对心单向加载双轴拉压试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，其特征在于，包含有一个加载传动装置和组合式框架；其中，所述组合式框架，由主框架1和悬浮框架2组成；所述加载传动装置，包括：横向加载轴12、13，纵向加载轴10、15，斜置刚性杆9、11、14、16上分别开有长方形滑槽组29、31、30、32，横向滑杆3、7，滑动接头4、8，步进电机5、6，固定和滑动两用铰支座23、24，固定铰支座25、26，可拆卸刚性杆21、22。本发明只需单向加载即可实现双轴拉伸、双轴压缩、一个方向拉伸同时另一方向压缩的多功能加载实验；同时该装置解决了实验过程中出现试件加载偏心的问题，具有自动平衡调节的自对心功能以及解决了试件的夹持调整难度大的问题。

Description

小型自对心单向加载双轴拉压试验装置

技术领域

本发明涉及双轴试验加载设备领域，具体地说，涉及一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置。

背景技术

对于各向异性材料，一般的单向拉伸实验已经不能真实的反映材料的物理力学性能，需要研究材料在相互垂直的两个方向上同时受到均匀的载荷场时的力学行为，所得到的双轴向物理性能对于材料的处理和应用以及新材料的研制有重要的意义。

目前，从双向载荷场的实现来看，主要有两种方法。

一种是通过薄壁筒的拉扭联合加载在材料内部造成双向应力场。Sittner等(Metallurgical and Materials Transactions A，1995，26A，2913)就是采用这种方法研究了CuAlZn多晶在拉扭联合作用下的行为。这种方法比较简便，但是加载的路径受到限制，并且是近似的双向应力场。对于各向异性材料，无法采用这种方法。

另一种对于单轴加载实现双轴受力的加载装置，之前也有学者进行过研究(武汉冶金科技大学学报，1996，vol19，No.2)。如图2所示，该机构可实现单轴加载双轴拉伸的效果，但其可调节性低，并且也未考虑加载过程中试件对中性的要求，只是单纯的单向拉伸双轴加载装置。

此外还有一种方法是直接实现双向应力场。具有反馈功能的多轴加载实验机可以实现双轴加载，但是其造价太高，而且一般的大型多轴加载实验机对于尺寸很小的形状记忆合金试样使用起来也不太方便。Boehler等(ExperimentalMechanics，1994，3，1)提出了一种螺旋加载装置，如图1所示。其基本思想是通过四个步进电机带动螺杆旋转，实现力的加卸载。两台水平步进电机控制水平方向的运动，两台竖直步进电机控制竖直方向的运动。四台步进电机之间分别有伺服控制并有四个相应的测力机构分别与四个螺杆相连。水平和竖直方向的加载相互独立。如果在加载过程中试件的中心偏离了加载装置的中心，则每对测力装置给出的数值将出现差异，例如水平方向受力不同，则表明有横向附加力通过两个螺杆施加给了试件。如果左边受力大于右边受力，则反馈系统通过减慢左边步进电机的加载速率，提高右边步进电机的加载速率来使试件的中心重新回到加载装置的中心。这种反馈系统的自动调节可以保证试件始终处于纯双拉状态。

为了保证试件始终处于纯双拉状态，对于传感装置的反馈系统的灵敏度，性能一致性和步进电机加载速率有很高的要求，而且由于信号反馈与加载速率的调整之间必然存在时间误差，使得整个实验过程中容易出现试件的中心偏离和重新回到加载装置的中心的波动过程，这也增加了试件的夹持调整难度。

因此，如何解决现有技术在实验过程中出现试件的中心偏离、重新回到加载装置中心的波动过程以及试件的夹持调整难度大等问题便成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，以解决实验过程中出现试件的中心偏离、重新回到加载装置中心的波动过程以及试件的夹持调整难度大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，其特征在于，包含有一个加载传动装置和组合式框架；其中，

所述组合式框架，由主框架1和悬浮框架2组成；其中，

所述主框架1，与水平平面的底座固定连接，呈长方形中空结构，其左、右、上、下侧分别设置有长方形滑槽组17、18、19、20，并在其左、右、上、下侧中间位置分别开有通孔，其中长方形滑槽组中包括纵向滑槽组17、18，和横向滑槽组19、20；

所述悬浮框架2，呈长方形中空结构设置在所述主框架1内，用放置在四个角上的四个可活动支柱27支撑于所述主框架1内，其左右，上下两侧开有圆形通孔，其中上下两侧开有与纵向加载轴10、15同直径的圆形通孔，固定所述悬浮框架2的四个可活动支柱27分别通过四根相邻成90°垂直排列的支座弹簧28的交汇点相连，四根相邻成90°垂直排列的所述支座弹簧28的另一端与所述主框架1底座连接；

所述加载传动装置，包括：横向加载轴12、13(位于左侧的第一横向加载轴和位于右侧的第二横向加载轴)，纵向加载轴10、15(位于上侧的第一纵向加载轴和位于下侧的第二纵向加载轴)，斜置刚性杆9、11、14、16(第一斜置刚性杆至第四斜置刚性杆)，横向滑杆3、7(第一横向滑杆和第二横向滑杆)，滑动接头4、8(第一横向滑杆和第二横向滑杆均包括滑动接头)，步进电机5、6(第一步进电机和第二步进电机)，固定和滑动两用铰支座23、24(第一固定和滑动两用铰支座、第二固定和滑动两用铰支座)，固定铰支座25、26(第一固定铰支座、第二固定铰支座)；其中，

所述横向加载轴12、13和所述纵向加载轴10、15穿过所述主框架上的左、右、上、下侧中间位置开有通孔，并与设置在所述长方形滑槽组17、18、19、20上的横向滑杆3、7上的滑动接头4、8和步进电机5、6相连接；其中，所述横向加载轴12、13与该步进电机5、6在同一轴线；

所述斜置刚性杆9、11、14、16的一端与所述纵向加载轴10、15上设置的固定铰支座25、26相连接，所述斜置刚性杆9、11、14、16的另一端与设置在所述横向加载轴12、13上的所述固定和滑动两用铰支座23、24相连接，所述斜置刚性杆9、11、14、16上开有长方形滑槽组29、31、30、32，可拆卸刚性杆21、22的中间位置固结在横向加载轴12、13上，两端放在四根斜置刚性杆9、14、11、16的长方形滑槽组29、30、31、32内，并可在滑槽组内自由滑动。

进一步地，其中，当所述试验装置进行负泊松比加载时，所述斜置刚性杆9、14之间通过可拆卸刚性杆21滑动连接，所述斜置刚性杆11、16通过可拆卸刚性杆22滑动连接；同时所述斜置刚性杆9、11、14、16以固定铰支座25、26连接在纵向加载轴10、15上，以固定和滑动两用铰支座23、24滑动连接在横向加载轴12、13上，实现单轴对称加载双轴拉或压的功能，即双轴拉伸(拉-拉)，或双轴压缩(压-压)的功能；当所述试验装置进行正泊松比加载时，拆掉可拆卸刚性杆21、22(第一可拆卸刚性杆和第二可拆卸刚性杆)，所述斜置刚性杆9、11、14、16以固定铰支座25、26连接在纵向加载轴10、15上，以固定和滑动两用铰支座23、24固定连接在横向加载轴12、13上，实现单轴加载双轴拉压的功能，即一个方向拉伸另一方向压缩(拉-压)的功能。

进一步地，其中，所述悬浮框架2用四根刚性支柱27支撑在所述主框架1上。

进一步地，其中，所述刚性支柱27的下端设置有四根相邻成90°垂直排列的弹簧组28。

与现有技术相比，本发明所述一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，达到了如下效果：

1)该发明中的加载装置得到了简化，只需要一对步进电机，即可实现单向加载双轴拉压的功能。同时还能够实现正、负泊松比两种加载实验方式(拉—压、拉—拉、压—压)。

2)该装置采用了自平衡反馈方法，实验过程中如果出现试件的中心偏离能够自动重新回到加载装置中心，从而获得材料在双向载荷场的作用下真实的物理力学特性；

3)该装置降低了对传感装置一致性的要求和对试件夹持调整的难度，提高了工作效率；

4)本发明具有小型化的特点，加工简单方便，成本低廉，容易实现。

附图说明

图1是现有技术的螺旋加载装置示意图。

图2是现有技术的单轴加载实现双轴受力的加载装置示意图。

图3是本发明实施例一所述的一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置结构示意图。

图4是本发明实施例一所述的一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置立体示意图。

图5是本发明实施例一所述装置中悬浮框架与水平平面连接的局部立体示意图。

图6是本发明实施例一所述装置中加载传动装置示意图。

图7是本发明实施例一所述装置中加载传动装置中内部加载结构角度示意图。

图8是本发明实施例一所述装置中的悬浮框架的自动反馈调节示意图。

图9是本发明实施例一所述装置的加载角度变化误差分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

本发明实施例提出了一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，该装置利用里面的机械装置实现单向加载双向受力的效果和自平衡反馈方法来实现双向载荷场，保证试件始终处于纯双拉的状态，以保证获得材料在双向载荷场的作用下真正的物理力学特性。

如图3、4所示，具体地，本发明所述的小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，包含有一个加载传动装置和组合式框架；其中，

所述组合式框架，由主框架1和悬浮框架2组成；其中，

所述主框架1，与水平平面的底座固定连接，呈长方形中空结构，其左、右、上、下侧分别设置有长方形滑槽组17、18、19、20，并在其左、右、上、下侧中间位置分别开有通孔，其中长方形滑槽组中包括纵向滑槽组17、18，和横向滑槽组19、20；

所述悬浮框架2，呈长方形中空结构设置在所述主框架1内，用放置在四个角上的四个可活动支柱(图5)支撑于所述主框架1内，其左右，上下两侧开有圆形通孔，其中上下两侧开有与加载轴同直径的圆形通孔，所述悬浮框架2通过支座弹簧28与所述主框架1底座连接；

如图6所示，所述加载传动装置，包括：横向加载轴12、13，纵向加载轴10、15，斜置刚性杆9、11、14、16，横向滑杆3、7，滑动接头4、8，步进电机5、6，可拆卸刚性杆21、22，固定和滑动两用铰支座23、24，固定铰支座25、26；其中，

所述横向加载轴12、13和所述纵向加载轴10、15穿过所述主框架上的左、右、上、下侧中间位置的通孔，并与设置在所述长方形滑槽组17、18、19、20上的横向滑杆3、7上的滑动接头4、8和步进电机5、6相连接；其中，所述横向加载轴12、13与该步进电机5、6在同一轴线；

斜置刚性杆9、11、14、16的一端与所述纵向加载轴10、15上设置的固定铰支座25、26相连接，所述斜置刚性杆9、11、14、16的另一端与设置在所述横向加载轴12、13上的所述固定和滑动两用铰支座23、24相连接。

进一步地，所述斜置刚性杆9、14之间通过所述可拆卸刚性杆21连接，所述斜置刚性杆11、16通过所述可拆卸刚性杆22连接。

进一步地，所述悬浮框架2可以随着传动轴的运动而运动，以达到试件自动对中的效果。

所述加载传动装置通过设置在横向加载轴12、13上的步进电机5、6驱动所述纵向加载轴10、15由传力机构获得加载载荷。如上所述，斜置刚性杆9、11、14、16通过固定和滑动两用铰支座23、24和固定铰支座25、26设置在所述横向加载轴12、13，纵向加载轴10、15上，

如图7和8所示，根据上述小型自对心单向加载双轴拉压试验装置的具体结构描述，具体实施时为：

i)当固定和滑动两用铰支座23、24为滑动状态，整个装置就形成一个负泊松比的传力装置，通过相互连接的斜置刚性杆9、11、14、16，可以将横向加载轴12、13上的加载力传递到纵向加载轴10、15上，转变为纵向加载力，从而实现双轴加载的效果。

ii)当固定和滑动两用铰支座23、24为固定状态时，将横向加载轴12、13上的两根纵向方向的可拆卸刚性杆21、22拆除，整个装置就形成一个正泊松比的传力装置。

其中，所述斜置刚性杆9、11、14、16铰连在两对加载轴(横向加载轴12、13和纵向加载轴10、15)上，每一对斜置刚性杆连接在加载轴的同一位置上，在其位置上可以转动。同时，在横向加载轴12、13上，有两根可拆卸刚性杆21、22，连接以横向加载轴为对称轴的斜置刚性杆9、14、11、16，可拆卸刚性杆21、22的中间位置固结在横向加载轴12、13上，两端放在四根斜置刚性杆9、11、14、16的中间滑槽29、31、30、32内，并可在滑槽内自由滑动。

如图5所示，为本发明实施例一所述装置中加载传动装置的支柱的立体示意图。其中，

所述悬浮框架2用四根刚性支柱27支撑，所述刚性支柱27的下端设置有四根相邻成90°垂直排列的弹簧组28，弹簧的作用可以使得柱子在水平面内任意移动，且弹簧产生的形变会与试件的偏心变形产生的力相抵消，达到自平衡的效果。在刚性支柱27随框架运动时起到平衡稳定作用，且可保证框架的高度不发生改变。

如图6所示，为本发明实施例一所述装置中加载传动装置的自动反馈调节示意图。其中，

横向加载轴12、13和纵向加载轴10、15之间连接有四根斜置刚性杆9、11、14、16连接，四根斜置刚性杆9、11、14、16与四根加载轴之间构成一个可调节泊松比的传动机构。纵向的加载载荷通过该传动机构获得，整个结构的加载力来自于横向的一对步进电机5、6。

横向加载轴12、13上有一个可调节运动状态的固定和滑动两用铰支座23、24。当铰支座23、24自由，同时装配上刚性杆21、22时，整个装置构成一个负泊松比的加载机构(拉—拉、压—压)；当铰支座23、24固定，同时拆卸掉刚性杆21、22时，整个装置构成一个正泊松比的加载机构(拉—压)。横向与纵向的载荷比可通过调节刚性杆与加载轴的长度比而进行调节，简便易行。

横向两端是两个步进电机5、6，四根斜置刚性杆9、11、14、16上分别凿有长方形滑槽组29、31、30、32，可拆卸刚性杆21、22中间分别固结在横向加载轴12、13上，两端可在长方形滑槽组29、31、30、32内自由滑动。加载轴与横向滑杆3、7上的滑动接头4、8之间以铰链连接，可以自由转动。

具体操作过程为：

(1)固定和滑动两用铰支座23、24为滑动状态，加载步进电机F开始加载时，横向加载轴12、13会沿着加载力的方向运动，同时也会带动可拆卸刚性杆21、22移动，固定和滑动两用铰支座23、24相对于该加载轴作反方向运动，可拆卸刚性杆21、22两端在滑槽29、31、30、32内自由滑动，斜置刚性杆9、14、11、16在可拆卸刚性杆21、22的作用下发生转动，使得与之相连的纵向加载轴运动，从而将横向的加载力传到纵向加载轴10、15上，达到横轴受拉(压)载荷，纵轴亦受拉(压)载荷的效果，即实现负泊松比加载效果。

(2)当固定和滑动两用铰支座23、24为固定状态时，同时拆卸下可拆卸刚性杆21、22两根刚性杆，加载步进电机F开始加载时，横向加载轴12、13会沿着加载力的方向运动，固定和滑动两用铰支座23、24随着加载轴作同方向运动，斜杆发生转动，使得与之连接的纵向加载轴10、15向远离加载中心的方向运动，从而将横向的加载力传接到纵向加载轴10、15上，达到横轴受拉(压)载荷，纵轴受压(拉)载荷的效果，即实现正泊松比加载效果。

如图7所示，为本发明实施例一所述装置中加载传动装置的角度示意图。其中，

加载的实验试件在载荷的作用下变形一般很小，因此加载轴之间的角度变化不大。设原始的夹角为Θ(加载角的范围一般在30°<Θ<60°)，试件变形后加载轴之间的夹角Θ+ΔΘ。则tan(Θ+ΔΘ)＝(L2+μ*ΔL1)/(L1+ΔL1)，其中L1，L2分别是横向和纵向加载轴的长度，ΔL1是横向加载轴移动的距离，μ为形变系数与加载轴和试件的性质有关(0<μ<1)。由图9中角度变化分析，在0°<Θ<1°范围内，力加载误差在1％以内。

加载过程中，如果试件产生纵向的切向力，钢架会因为力的作用而运动，支柱也会因此而发生位移。这时，纵向轴也会由于力的作用沿纵向移动，直至纵向切向力与设置在步进电机上的支柱弹簧的变形达到平衡。整个过程，中间悬浮框架会在水平面内移动，加载装置的位置会随之发生变化，但是加载的效果不会改变。同样的，当试件出现横向切向力，框架会自动横向移动，移动过程中横向的切向力也将设置在步进电机中的弹簧变形力相抵消，最后使得试件达到平衡。

如图8所示，为本发明实施例一所述装置中加载传动装置的自动反馈调节示意图。其中，

当对十字形试件加载时，由于受力不均或材料本身特性的原因。加载过程中试件会产生不对称变形时，十字试件在纵向发生形变弯曲，此时外界给试件加载的力不再沿着试件的轴线方向，弯曲使试件本身产生一个横向的合力。此时，由弹簧28支撑的中间悬浮框架2受到这个弯曲合力的作用而发生水平位移，朝右移动。加载轴10和加载轴15从中间悬浮框架2的加载轴孔穿过，此时加载轴12和加载轴13会在框架1的水平滑槽19，20随框架2一起运动。此时，中间悬浮框架2下的支座弹簧28会由于框架的移动而发生形变从而产生一个弹簧力，该力与试件变形所产生的不对称力相抵消，使得整个加载装置恢复到外力平衡的状态，同时不会对内部加载产生影响，使得试件的加载载荷方向重新沿着试件的轴线方向达到对心的效果。

如图9所示，为本发明实施例一所述的装置的加载角度变化误差分析图。其中，从图中角度变化分析可知，在0°<Θ<1°范围内，力加载误差在1％以内。

与现有技术相比，本发明公开了一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，并达到了如下效果：

1)该发明中加载装置得到了简化，只需要一对步进电机的装置，即可达到单向加载双轴拉压的功能；同时采用了机构调节的方式，可实现正、负泊松比加载的效果，即可实现双向拉伸、双向压缩、以及一个方向拉伸另一个方向压缩的多功能加载实验的功能；

2)该装置由于采用了自平衡反馈方法，避免了实验过程中出现试件加载偏心的问题，从而获得材料在双向载荷场的作用下真正的物理力学特性；

3)该装置降低了对传感装置一致性的要求和对试件夹持调整的难度，提高了工作效率；

4)本发明具有小型化的特点，加工简单方便，成本低廉，容易实现。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种小型自对心单向加载双轴拉压试验装置，其特征在于，包含有一个加载传动装置和一个组合式框架；其中，

所述组合式框架，由主框架(1)和悬浮框架(2)组成；其中，

所述主框架(1)，与水平平面的底座固定连接，呈长方形中空结构，其左、右、上、下侧分别设置有长方形滑槽组(17)、(18)、(19)、(20)，并在其左、右、上、下侧中间位置分别开有通孔，其中长方形滑槽组中包括两个纵向滑槽组(17)、(18)，和两个横向滑槽组(19)、(20)；

所述悬浮框架(2)，呈长方形中空结构设置在所述主框架(1)内，用放置在四个角上的四个可活动支柱(27)支撑于所述主框架(1)内，其左右，上下两侧开有圆形通孔，其中上下两侧开有与位于上侧的第一纵向加载轴和位于下侧的第二纵向加载轴同直径的圆形通孔，固定所述悬浮框架(2)的四个可活动支柱(27)分别通过四根相邻成90°垂直排列的支座弹簧(28)的交汇点相连，所述四根相邻成90°垂直排列的所述支座弹簧(28)的另一端与所述主框架(1)底座连接；

所述加载传动装置，包括：位于左侧的第一横向加载轴和位于右侧的第二横向加载轴，位于上侧的第一纵向加载轴和位于下侧的第二纵向加载轴，第一斜置刚性杆至第四斜置刚性杆，第一横向滑杆和第二横向滑杆，所述第一横向滑杆和第二横向滑杆均包括滑动接头，第一步进电机和第二步进电机，第一固定和滑动两用铰支座、第二固定和滑动两用铰支座，第一固定铰支座、第二固定铰支座；

所述位于左侧的第一横向加载轴和位于右侧的第二横向加载轴分别穿过左侧中间通孔和右侧中间通孔与位于左侧滑槽内的第一步进电机和位于右侧滑槽内的第二步进电机连接，位于上侧的第一纵向加载轴和位于下侧的第二纵向加载轴分别穿过上侧中间通孔和下侧中间通孔与位于上侧滑槽内的第一横向滑杆上的滑动接头和位于下侧滑槽内的第二横向滑杆上的滑动接头相连接；

其中，所述位于左侧的第一横向加载轴和位于右侧的第二横向加载轴与该第一步进电机和第二步进电机在同一轴线；

所述第一、第二横向加载轴上分别设置有第一、第二固定和滑动两用铰支座，第一、第二纵向加载轴上分别设置有第一、第二固定铰支座；

所述第一斜置刚性杆连接第一固定和滑动两用铰支座和第一固定铰支座，所述第二斜置刚性杆连接第一固定铰支座和第二固定和滑动两用铰支座，所述第三斜置刚性杆连接第二固定和滑动两用铰支座和第二固定铰支座，所述第四斜置刚性杆连接第二固定铰支座和第一固定和滑动两用铰支座；

所述第一可拆卸刚性杆的中间位置固结在第一横向加载轴上，两端放在所述第一和第四斜置刚性杆的长方形滑槽内，第二可拆卸刚性杆的中间位置固结在第二横向加载轴上，两端放在所述第二和第三斜置刚性杆的长方形滑槽内，第一可拆卸刚性杆和第二可拆卸刚性杆在斜置刚性杆的中间滑槽内自由运动；

当所述试验装置进行负泊松比加载时，即双向拉伸或双向压缩实验时，所述第一斜置刚性杆和第四斜置刚性杆通过第一可拆卸刚性杆滑动连接，所述第二斜置刚性杆和第三斜置刚性杆通过第二可拆卸刚性杆滑动连接，第一可拆卸刚性杆和第二可拆卸刚性杆的中间位置固结在位于左侧的第一横向加载轴和位于右侧的第二横向加载轴上；同时所述第一斜置刚性杆至第四斜置刚性杆以第一固定铰支座、第二固定铰支座连接在位于上侧的第一纵向加载轴和位于下侧的第二纵向加载轴上，以第一固定和滑动两用铰支座、第二固定和滑动两用铰支座滑动连接在位于左侧的第一横向加载轴和位于右侧的第二横向加载轴上；当所述试验装置进行正泊松比加载时，一个方向拉伸或压缩，同时另一个方向压缩或拉伸实验时，拆掉第一可拆卸刚性杆和第二可拆卸刚性杆，所述第一斜置刚性杆至第四斜置刚性杆以第一固定铰支座和第二固定铰支座连接在位于上侧的第一纵向加载轴和位于下侧的第二纵向加载轴上，以第一固定和滑动两用铰支座和第二固定和滑动两用铰支座固定连接在位于左侧的第一横向加载轴和位于右侧的第二横向加载轴上。