CN103528900B - 超高应变速率精密拉伸原位测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高应变速率精密拉伸原位测试平台，属于材料力学测试领域。包括高速加载单元、信号检测及控制单元、连接夹持单元，高速加载单元包括四个高速气缸，通过高压气体共轨供给系统提供足够高的加载速率，并可通过供气压力控制加载速率范围10²/s~10⁴/s；信号检测及控制单元针对高应变速率采用多普勒光电位移测量仪测量和记录，结合精密拉压力传感器采集载荷信号，通过控制系统调节供给气体压力控制加载速率，实现半闭环控制。连接夹持单元为测试平台提供一个保护腔体，并可以通过直线导轨方便试件装夹。本发明结构紧凑，体积小巧，应变速率可控，且与部分电子显微镜设备兼容，因此可实现对加载过程中试样样品的动态变形损伤进行原位监测。

Description

超高应变速率精密拉伸原位测试平台

技术领域

本发明涉及材料力学测试领域，特别涉及一种超高应变速率精密拉伸原位测试平台。其与部分商业化扫描电子显微镜有一定的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性。可对材料在高应变速率载荷作用下的损伤和断裂过程进行测试和评价，为车辆设计提供所用材料的动态物理力学性能数据。

背景技术

材料轻量化、高强度是当前材料技术发展的重要方向之一。在这一趋势的推动下，与轻量化、高强度材料应用紧密相关的试验及评价技术，如高应变速率拉伸试验技术，材料、连接接头动态性能测试技术，材料的液压成形、热成形等工艺性能试验技术，都得到了迅速发展。材料试验是工业技术中最基础的试验之一。试验所测取的材料各种物理性能、力学性能和工艺性能数据，不仅可用于材料评价和零部件选材，而且广泛应用在产品设计、制造、质量控制、维修等各阶段。为满足工业发展对材料动态性能数据的需求，材料动态物理力学性能测试及评价技术，如高应变速率拉伸试验技术、高应变速率冲击试验技术、吸能试验技术等，已成为当前新型材料试验技术发展的热点和重点。

高速拉伸是相对于常规伪静态拉伸试验而言的，是一种高应变速率的拉伸试验，其应变速率范围通常在10^-3~10³/s。由于高速拉伸试验测得的材料动态应力-应变响应数据，可以反映材料在冲击载荷作用下的能量吸收特性，这在材料及其制品在冲击载荷下仿真分析时非常有用，因此这项试验的重要性日益显现。

目前，根据不同加载方式和作用原理，广泛应用的试验机可分为2种类型，即电液伺服试验系统和杆式试验系统。电液伺服式金属板材高速拉伸试验系统结构及加载方式与普通电液伺服试验系统基本相同，为获得足够高的加载速率，液压系统中的油泵和伺服阀通常都选取得很大，以致活塞杆的移动速度可达30 m/s。杆式试验系统有2种：霍普金森双杆式试验系统（Split Hopkinson Bar System）和单杆式试验系统（One Bar System）。除以上两种，还有火药爆炸冲击式、飞轮储能式等。但是，从速度、负荷、等速精度、结构复杂程度及经济性等几个方面考虑，在上述几种加荷方式中，普遍存在结构比较复杂庞大，伺服控制系统复杂，成本较高等问题。

因此，设计一种体积小、结构紧凑，测试精度高，有较大的试验速度变化范围，能够利用电子显微镜等成像系统实时监测宏观试件在载荷作用下的微观变形和损伤过程的超高应变率速率拉伸测试平台已十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高应变速率精密拉伸原位测试平台，解决了现有技术存在的上述问题，一定程度上填补现有技术的空白。为实现精度高、应变速率可控、体积小、结构精巧、部分兼容电子显微镜等成像系统的可用于精密材料微观力学性能超高应变速率拉伸测试的装置提供一种有效的方案。针对航空航天，军事领域、汽车工业中冲撞变形中的高应变率（10²/s~10³/s），其变形形式有拉伸、压缩、剪切等，其中动态拉伸可以得到更为丰富的材料破坏信息。通过高应变率拉伸测试可以对材料在高应变速率下的微观变形、损伤和断裂过程进行监测，获得材料动态应力-应变响应数据，反映材料在冲击载荷作用下的能量吸收特性，这在零部件设计及碰撞仿真分析时提供重要的材料性能参数。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

超高应变速率精密拉伸原位测试平台，包括高速加载单元、信号检测及控制单元、连接夹持单元，所述高速加载单元包括低摩擦高速气缸Ⅰ~Ⅳ8、9、23、26、加载机构基板Ⅰ、Ⅱ5、11、导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29、高压气体共轨供给系统，其中高压气体共轨供给系统将高压气泵产生的高压气体以相同的压力输送给四个相同型号的低摩擦高速气缸Ⅰ~Ⅳ8、9、23、26，使四个气缸的输出杆产生相同的推力，推动加载机构基板Ⅱ11在导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29上做高速的运动，从而使被测试件21产生高应变速率；

所述信号检测及控制单元包括高精度拉压力传感器31、多普勒光电位移测量仪、高压气体控制系统，可为测试平台提供位移加载速率的模拟或数字量信号，作为高压气体控制系统控制的反馈信号，即高速加载单元可实现变加载速率的加载方式；由于被测试件21尺寸很小，用高精度拉压力传感器31可以满足测试的精度要求。

所述连接夹持单元包括被测试件21、夹具体Ⅰ、Ⅱ12、32、气缸调整座Ⅰ~Ⅳ7、10、24、25、加强肋板Ⅰ~Ⅳ4、14、19、28、以及螺钉，通过调整气缸调整座Ⅰ~Ⅳ7、10、24、25以补偿高速气缸杆与加载机构基板Ⅱ11的间隙；被测试件21通过夹具体的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹持。

所述的低摩擦高速气缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ8、9、23、26分别通过气缸调整座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、10、24、25和气缸固定架Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、22、27连接在加载机构基板Ⅰ5和平台基座1上；导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29平行安装在平台基座1上，作为重要的导向元件，两侧分别通过导向光杠固定轴套Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ2、15、17、30定位安装；由外接高压气泵产生的高压气体，通过高压气体共轨供给系统后，被以相同的压力输送给四个相同型号的低摩擦高速气缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ8、9、23、26；在相同压力和流量的气体作用下，四个气缸的气缸杆Ⅳ、Ⅰ34、37等同步动作，即产生相同的推力和速度，冲击在加载机构基板Ⅱ11的冲击垫Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ38、35、34等上，推动加载机构基板Ⅱ11在导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29上做高速的运动；安装在加载机构基板Ⅱ11上的导向光杠滑动轴套Ⅰ、Ⅱ13、20保证了加载机构基板Ⅱ11的快速运动，使被测试件21在基板的相对高速运动下产生高应变速率。

所述的高精度拉压力传感器31安装在加载机构基板Ⅰ5和夹具体Ⅱ32之间，试件的高速变形普通位移测量设备难以测量，多普勒光电位移测量仪可以实现高速非接触式高精度测量，满足测试平台的测量要求，同时简化了测试平台的结构；高精度拉压力传感器31和多普勒光电位移测量仪可为测试平台提供位移加载速率的模拟或数字量信号，作为高压气体控制系统控制的反馈信号，通过控制气体的压力和流量调节气缸的推力和速度，可实现对被测试件加载不同加载速率。

所述的被测试件21的两端通过夹具体Ⅰ、Ⅱ12、32夹持，并由夹具体的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹紧；夹具体Ⅰ、Ⅱ12、32分别通过螺钉连接在加载机构基板Ⅰ、Ⅱ5、11上，将气缸的高速运动经过较少的环节传递给被测试件21。

所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台的主体尺寸约为336mm×196mm×196mm未装保护罩，与目前广泛应用的电液伺服式、霍普金森双杆式试验系统以及单杆式试验系统相比，具有体积小巧，结构紧凑，测量精度高的特点，与部分商业化扫描电子显微镜有一定的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，实现材料测试的实时监测。

所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台外部可以根据需要设置保护罩39，以保证在超高速试验过程中的安全。滑动导轨Ⅰ、Ⅱ16、18平行安装在平台基板1下方，并同时安装在保护罩39上，使测试装置可以方便的抽出以进行试件装夹和维护等。

所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台采用空气作为能量传递介质，不会对环境造成污染，同时有效的降低了设备的使用和维护成本。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明体积小巧，结构紧凑，测试精度高，应变速率可控，可实现对材料在超高应变速率下动态力学性能的测试分析。测试平台在对被测试件样品进行机械加载的同时，可对载荷信号和位移信号进行精密检测。可以对各种材料的特征尺寸毫米级以上宏观试件进行超高应变速率拉伸试验，对材料及其制品在冲击载荷下的微观变形进行动态观测，以揭示材料在微纳米尺度下的力学行为和损伤机制。并通过载荷/位移信号的同步监测，结合相关算法，亦可自动拟合生成载荷作用下的应力-应变曲线。综上所述，本发明对汽车材料力学性能测试技术及装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前景。通过本发明可对材料在高应变速率载荷作用下的损伤和断裂过程进行测试和评价，为材料及其制品的设计制造提供力学性能的基础数据。

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为本发明的左视示意图；

图5为本发明的装配保护罩的整体外观结构图；

图6为本发明的装配保护罩的效果图。

图中：1. 平台基座，2. 导向光杠固定轴套Ⅰ，3. 导向光杠Ⅰ，4. 加强肋板Ⅰ，5. 加载机构基板Ⅰ，6. 气缸固定架Ⅰ，7. 气缸调整座Ⅰ，8. 低摩擦高速气缸Ⅰ，9. 低摩擦高速气缸Ⅱ，10. 气缸调整座Ⅱ，11. 加载机构基板Ⅱ，12. 夹具体Ⅰ，13. 导向光杆滑动轴套Ⅰ，14. 加强肋板Ⅱ，15. 导向光杠固定轴套Ⅱ，16. 滑动导轨Ⅰ，17. 导向光杠固定轴套Ⅲ，18. 滑动导轨Ⅱ，19. 加强肋板Ⅲ，20. 导向光杠滑动轴套Ⅱ，21. 被测试件，22. 气缸固定架Ⅱ，23. 低摩擦高速气缸Ⅲ，24. 气缸调整座Ⅲ，25. 气缸调整座Ⅳ，26. 低摩擦高速气缸Ⅳ，27. 气缸固定架Ⅲ，28. 加强肋板Ⅳ，29. 导向光杠Ⅱ，30. 导向光杠固定轴套Ⅳ，31. 高精度拉压力传感器，32. 夹具体Ⅱ，33. 气缸杆Ⅳ，34. 冲击垫Ⅳ，35. 冲击垫Ⅲ，36. 气缸杆Ⅲ，37. 气缸杆Ⅰ，38. 冲击垫Ⅰ，39. 保护罩。

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，本发明的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，包括高速加载单元、信号检测及控制单元、连接夹持单元，所述高速加载单元包括低摩擦高速气缸Ⅰ~Ⅳ8、9、23、26、加载机构基板Ⅰ、Ⅱ5、11、导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29、高压气体共轨供给系统，其中高压气体共轨供给系统将高压气泵产生的高压气体以相同的压力输送给四个相同型号的低摩擦高速气缸Ⅰ~Ⅳ8、9、23、26，使四个气缸的输出杆同步动作，即具有相同的推力和速度，在气缸杆和加载机构基板Ⅱ11之间装有冲击垫，保证气缸杆和基板之间有一定的间距，使气缸杆在获得足够速度后才与基板相撞，保证加载机构基板Ⅱ11在导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29上做高速的运动，从而使被测试件21产生高应变速率。

所述信号检测及控制单元包括高精度拉压力传感器31、多普勒光电位移测量仪、高压气体控制系统，可为测试平台提供位移加载速率的模拟或数字量信号，作为高压气体控制系统控制的反馈信号，即高速加载单元可实现变加载速率的加载方式；由于被测试件21尺寸很小，用高精度拉压力传感器31可以满足测试的精度要求。

所述连接夹持单元包括被测试件21、夹具体Ⅰ、Ⅱ12、32、气缸调整座Ⅰ~Ⅳ7、10、24、25、加强肋板Ⅰ~Ⅳ4、14、19、28、以及螺钉，通过调整气缸调整座Ⅰ~Ⅳ7、10、24、25以补偿高速气缸杆与加载机构基板Ⅱ11的间隙；被测试件21通过夹具体的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹持。

所述的低摩擦高速气缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ8、9、23、26分别通过气缸调整座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7、10、24、25和气缸固定架Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、22、27连接在加载机构基板Ⅰ5和平台基座1上；导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29平行安装在平台基座1上，作为重要的导向元件，两侧分别通过导向光杠固定轴套Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ2、15、17、30定位安装；由外接高压气泵产生的高压气体，通过高压气体共轨供给系统后，被以相同的压力输送给四个相同型号的低摩擦高速气缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ8、9、23、26；在相同压力和流量的气体作用下，四个气缸的气缸杆Ⅳ、Ⅰ34、37等同步动作，即产生相同的推力和速度，冲击在加载机构基板Ⅱ11的冲击垫Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ38、35、34等上，推动加载机构基板Ⅱ11在导向光杠Ⅰ、Ⅱ3、29上做高速的运动；安装在加载机构基板Ⅱ11上的导向光杠滑动轴套Ⅰ、Ⅱ13、20保证了加载机构基板Ⅱ11的快速运动，使被测试件21在基板的相对高速运动下产生高应变速率。

所述的高精度拉压力传感器31安装在加载机构基板Ⅰ5和夹具体Ⅱ32之间，试件的高速变形普通位移测量设备难以测量，多普勒光电位移测量仪可以实现高速非接触式高精度测量，满足测试平台的测量要求，同时简化了测试平台的结构；高精度拉压力传感器31和多普勒光电位移测量仪可为测试平台提供位移加载速率的模拟或数字量信号，作为高压气体控制系统控制的反馈信号，通过控制气体的压力和流量调节气缸的推力和速度，可实现对被测试件加载不同加载速率。

所述的被测试件21的两端通过夹具体Ⅰ、Ⅱ12、32夹持，并由夹具体的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹紧；夹具体Ⅰ、Ⅱ12、32分别通过螺钉连接在加载机构基板Ⅰ、Ⅱ5、11上，将气缸的高速运动经过较少的环节传递给被测试件21。

所述的信号检测及控制单元由于被测试件21尺寸很小，测试过程中应力峰值不高，用高精度拉压力传感器31可以满足测试的量程及精度要求。对于试件的高速变形，普通位移测量设备难以测量，多普勒光电位移测量仪可以实现高速非接触式高精度测量，满足测试平台的测量要求，同时简化了测试平台的结构。

所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台的主体尺寸约为336mm×196mm×196mm未装保护罩，与目前广泛应用的电液伺服式、霍普金森双杆式试验系统以及单杆式试验系统相比，具有体积小巧，结构紧凑，测量精度高的特点，与部分商业化扫描电子显微镜有一定的结构兼容性、真空兼容性及电磁兼容性，实现材料测试的实时监测。

所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台外部可以根据需要设置保护罩39，以保证在超高速试验过程中的安全。滑动导轨Ⅰ、Ⅱ16、18平行安装在平台基板1下方，并同时安装在保护罩39上，使测试装置可以方便的抽出以进行试件装夹和维护等。

所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台采用空气作为能量传递介质，不会对环境造成污染，同时有效的降低了设备的使用和维护成本。

参见图1至图6所示，本发明的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其结构主要由高速加载单元、信号检测及控制单元、连接夹持单元组成。测试平台主体尺寸约为336mm×196mm×196mm（未装保护罩），测试平台可以在10²/s ~ 10⁴/s应变率范围内对材料进行高应变速率测试，并可以通过安装在平台下的滑动导轨Ⅰ、Ⅱ16、18轻松将平台推入保护罩39。

信号检测及控制单元由高精度拉压力传感器31和多普勒光电位移测量仪为测试装置提供位移加载速率的模拟或数字量信号，作为高压气体控制系统控制的反馈信号源，通过控制气体的压力和流量调节气缸的推力和速度，可实现对被测试件加载不同加载速率。

高压气体控制系统等组成。由于被测试件21尺寸很小，用高精度拉压力传感器31可以满足测试的精度要求。试件的高速变形普通位移测量设备难以测量，多普勒光电位移测量仪可以实现高速非接触式高精度测量，满足测试平台的测量要求，同时简化了测试平台的结构。

本发明在具体的测试过程中，被测试件21采用线切割方式加工，并利用小型外圆抛光机对试件进行抛光处理，得到可用于高分辨率显微成像监测的较好表面光洁度，或者通过化学腐蚀等工艺得到金相等显微形貌。然后将被测试件21装夹在压块式夹头的上下压块之间，之后拧紧压板紧固螺钉，完成试件装夹。然后，根据所需应变速率设定输入气体压力，即通过测试算法程序设定测试条件和参数。在高压气体共轨供给系统的控制下，气缸杆Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ37、36、33和低摩擦高速气缸Ⅱ9的气缸杆获得相同的推力和速度，通过冲击垫Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ38、35、34将应力波传递给加载机构基板Ⅱ11。测试过程中，高精度拉压力传感器31对被测试件21进行拉力F进行检测，多普勒光电位移测量仪对直线变形量h进行检测。两路信号通过模数转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试过程中，被测试件21在冲击载荷作用下的材料变形损伤情况可由高速电子显微成像系统进行动态监测。最终，结合软件获取在高速拉伸试验下材料的动态应力-应变响应数据，反映材料在冲击载荷作用下的能量吸收特性，为汽车设计、制造、质量控制、维修等各阶段提供有力支持。

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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其特征在于：包括高速加载单元、信号检测及控制单元、连接夹持单元，所述高速加载单元包括低摩擦高速气缸Ⅰ~Ⅳ（8、9、23、26）、加载机构基板Ⅰ、Ⅱ（5、11）、导向光杠Ⅰ、Ⅱ（3、29）、高压气体共轨供给系统，其中高压气体共轨供给系统将高压气泵产生的高压气体以相同的压力输送低摩擦高速气缸Ⅰ~Ⅳ（8、9、23、26），使四个气缸的输出杆产生相同的推力，推动加载机构基板Ⅱ（11）在导向光杠Ⅰ、Ⅱ（3、29）上做高速的运动，从而使被测试件（21）产生高应变速率；

所述信号检测及控制单元包括高精度拉压力传感器（31）、多普勒光电位移测量仪、高压气体控制系统，可提供位移加载速率的模拟或数字量信号，作为高压气体控制系统控制的反馈信号，即高速加载单元可实现变加载速率的加载方式；

所述连接夹持单元包括被测试件（21）、夹具体Ⅰ、Ⅱ（12、32）、气缸调整座Ⅰ~Ⅳ（7、10、24、25）、加强肋板Ⅰ~Ⅳ（4、14、19、28）、以及螺钉，通过调整气缸调整座Ⅰ~Ⅳ（7、10、24、25）以补偿高速气缸杆与加载机构基板Ⅱ（11）的间隙；被测试件（21）通过夹具体的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹持。

2.根据权利要求1所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其特征在于：所述的低摩擦高速气缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（8、9、23、26）分别通过气缸调整座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（7、10、24、25）和气缸固定架Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（6、22、27）连接在加载机构基板Ⅰ（5）和平台基座（1）上；导向光杠Ⅰ、Ⅱ（3、29）平行安装在平台基座（1）上，作为重要的导向元件，两侧分别通过导向光杠固定轴套Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（2、15、17、30）定位安装；由外接高压气泵产生的高压气体，通过高压气体共轨供给系统后，被以相同的压力输送给四个相同型号的低摩擦高速气缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（8、9、23、26）；在相同压力和流量的气体作用下，四个气缸的气缸杆同步动作，即产生相同的推力和速度，冲击在加载机构基板Ⅱ（11）的冲击垫，推动加载机构基板Ⅱ（11）在导向光杠Ⅰ、Ⅱ（3、29）上做高速的运动；安装在加载机构基板Ⅱ（11）上的导向光杠滑动轴套Ⅰ、Ⅱ（13、20）保证了加载机构基板Ⅱ（11）的快速运动，使被测试件（21）在基板的相对高速运动下产生高应变速率。

3.根据权利要求1所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其特征在于：所述的高精度拉压力传感器（31）安装在加载机构基板Ⅰ（5）和夹具体Ⅱ（32）之间，高精度拉压力传感器（31）和多普勒光电位移测量仪可提供位移加载速率的模拟或数字量信号，作为高压气体控制系统控制的反馈信号，通过控制气体的压力和流量调节气缸的推力和速度，可实现对被测试件加载不同加载速率。

4.根据权利要求1所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其特征在于：所述的被测试件（21）的两端通过夹具体Ⅰ、Ⅱ（12、32）夹持，并由夹具体的上下压板以及螺钉以压紧方式定位夹紧；夹具体Ⅰ、Ⅱ（12、32）分别通过螺钉连接在加载机构基板Ⅰ、Ⅱ（5、11）上，将气缸的高速运动传递给被测试件（21）。

5.根据权利要求1至4任意项所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其特征在于：所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台的主体尺寸为336mm×196mm×196mm。

6.根据权利要求1至4任意项所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其特征在于：所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台外部设置保护罩（39），滑动导轨Ⅰ、Ⅱ（16、18）平行安装在平台基座（1）下方，并同时安装在保护罩（39）上，使测试装置可以方便的抽出以进行试件装夹和维护。

7.根据权利要求1至4任意项所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台，其特征在于：所述的超高应变速率精密拉伸原位测试平台采用空气作为能量传递介质。