CN103969111B - 模型混合加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模型混合加载装置，包括：温控装置，用于提供光弹性应力冻结试验的温度场；第一加载装置，用于给模型提供旋转离心载荷；第二加载装置，用于给模型提供拉伸载荷；温控装置包括：箱体及用于对箱体内部进行温度调节的温度调节器；箱体上设有用于观察模型受力状态的观察窗；第一加载装置和第二加载装置设于箱体内以共用温控装置。本发明模型混合加载装置结构简单，且能同时实现对模型施加旋转离心载荷和拉伸载荷，这两种不同载荷下的应力分布冻结在模型中，使得试验数据更加完整，有利于提高试验精度。
Description
技术领域
本发明涉及实验力学技术领域，特别地，涉及一种用于光弹性应力冻结试验的模型混合加载装置。
背景技术
光弹性应力冻结法(stress-freezing method of photoelasticity)是光弹性法的一种，此法是将光弹性模型加热到冻结温度时，施加载荷，再缓慢冷却至室温后卸载。模型承受载荷时产生的双折射效应将保存下来，即使将模型切成薄片，其双折射效应也不会消失，这种特性称为应力冻结效应。此法是利用这种效应进行三维光弹性应力分析。
采用三维光弹性应力冻结法试验时，通常将冻结模型切成薄片或小条，应用正射和斜射的方法测取等差线条纹和等倾线，再用剪应力差法计算其正应力。根据三维光弹性应力冻结试验需要单独设计、加工模型的加载装置，即占用科研资金，又不利于提高试验效率。传统的离心加载装置适合转速在1000转/分至3000转/分区域附近，但在此区域做冻结试验后有时冻结的应力条纹稀疏，不利于条纹判读，从而影响试验的精确度。传统的解决办法是使用条纹倍增器，增加条纹级数，但该办法适用于光弹性模型中存在初始应力条纹很低的情况，对原材料和试验环境要求高，这导致试验的成本很高，严重影响了光弹性试验技术的发展与应用，为了降低试验成本，有必要研制一种新的加载装置。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单、使用方便且能施加旋转离心载荷和多级拉伸载荷的模型混合加载装置，以解决传统的用于光弹性应力冻结试验的离心加载装置试验效率和试验精度较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种模型混合加载装置，包括：
温控装置，用于提供光弹性应力冻结试验的温度场；
第一加载装置，用于给模型提供旋转离心载荷；
第二加载装置，用于给模型提供拉伸载荷；
温控装置包括：箱体及用于对箱体内部进行温度调节的温度调节器；箱体上设有用于观察模型的受力状态的观察窗；
第一加载装置和第二加载装置设于箱体内以共用温控装置。
进一步地，第一加载装置包括：伸入箱体内的传动轴，传动轴经换向机构连接第一加载单元，换向机构用于将传动轴的输出动力转换成驱动第一加载单元在水平方向上旋转运动的动力，第一加载单元用于夹持至少一个模型；传动轴位于箱体外部的部位连接有驱动传动轴旋转的驱动机构。
进一步地，传动轴水平设置，传动轴经轴承与箱体的壁面配合；驱动机构包括：驱动电机、联轴器，驱动电机的输出轴经联轴器连接传动轴；驱动电机的输出轴、联轴器及传动轴同轴配合安装；换向机构为锥齿轮传动机构。
进一步地，第一加载单元经榫槽-榫头配合夹持模型，第一加载单元包括：与箱体的壁面固接的固定架、由换向机构驱动的竖直轴，竖直轴经止推轴承与固定架连接，竖直轴的上端设有圆盘状的第一夹持部，第一夹持部用于沿周向夹持至少一个模型。
进一步地，第二加载装置包括：设于箱体内的支撑框架，支撑框架上设有至少一个加载横梁，加载横梁上连接有多个第二加载单元，第二加载单元包括用于将模型连接至加载横梁上的第二夹持部和用于对模型施加拉伸载荷的施力部。
进一步地，支撑框架包括用于相对设置的两个横向支撑梁，横向支撑梁沿纵向设置有的纵向支撑梁，两个横向支撑梁沿相向的方向设置有凹槽部，加载横梁经凹槽部与横向支撑梁配合连接。
进一步地，第二夹持部的一端经紧固件与加载横梁固接，另一端经榫槽-榫头配合夹持模型。
进一步地，第二夹持部包括相配合的两个本体，两个本体相对设有凹部，两个本体经紧固件固定，凹部用于夹持模型上的榫头部以形成榫槽-榫头配合。
进一步地，施力部包括用于与模型上远离榫头部的端部固接的吊杆，吊杆的底端设置用于承载砝码的托盘。
进一步地，观察窗采用耐高温光学玻璃制成。
本发明具有以下有益效果：
本发明模型混合加载装置，通过在温控装置内设置用于给模型提供旋转离心载荷的第一加载装置和用于给模型提供拉伸载荷的第二加载装置，通过设于温控装置的箱体上的观察窗即可实现对模型的受力状态的观察。本发明模型混合加载装置结构简单，且能同时实现对模型施加旋转离心载荷和拉伸载荷，这两种不同载荷下的应力分布冻结在模型中，使得试验数据更加完整，有利于提高试验精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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。在附图中：
图1是本发明优选实施例模型混合加载装置的结构示意图；
图2是图1中第二加载装置的结构示意图；
图3是本发明优选实施例中第一夹持部夹持多个模型的结构示意图。
附图标记说明：
10、温控装置；11、箱体；12、温度调节器；
20、第一加载装置；21、传动轴；22、换向机构；23、第一加载单元；231、固定架；232、竖直轴；233、第一夹持部；24、驱动机构；241、驱动电机；242、联轴器；25、数据线；26、转速控制箱；27、安装支架
30、第二加载装置；31、支撑框架；32、加载横梁；33、第二加载单元；331、第二夹持部；332、施力部；311、横向支撑梁；312、纵向支撑梁；3321、吊杆；3322、托盘；333、砝码；34、紧固件；
40、模型；41、榫头部。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明实施例提供一种用于光弹性应力冻结试验的模型混合加载装置，以实现对模型冻结后在不同载荷状态下的应力分布检测。本实施例通过在温控箱体内对模型同时施加旋转离心载荷和拉伸载荷，这两种不同载荷下的应力分布冻结在模型中，既节约了设备投资的成本，又提高了冻结应力试验的精度。参照图1，本发明的优选实施例提供了一种模型混合加载装置，该模型混合加载装置包括：
温控装置10，用于提供光弹性应力冻结试验的温度场；
第一加载装置20，用于给模型40提供旋转离心载荷；
第二加载装置30，用于给模型40提供拉伸载荷。其中，
温控装置10包括：箱体11及用于对箱体11内部进行温度调节的温度调节器12；箱体11上设有用于观察模型40的受力状态的观察窗(图中未示出)；第一加载装置20和第二加载装置30设于箱体11内以共用温控装置10。
本实施例中，箱体11内的温度场由温度调节器12来调节，温度调节器12包括设于箱体11的壁体内部的温控机构和用于控制该温控机构进行温度调节的控制器，该控制器根据预先设定的温控曲线实现箱体11内的升温、保温或降温，从而为箱体11内提供一个温度场，此温度场用于实现箱体11内所所有模型40的应力冻结。观察窗用于观察模型40的受力状态。本实施例中，观察窗采用耐高温光学玻璃制成，光学玻璃为透明的耐200。℃以上温度的光学玻璃。
参照图1，本实施例中，第一加载装置20包括：伸入箱体11内的传动轴21，传动轴21经换向机构22连接第一加载单元23，换向机构22用于将传动轴21的输出动力转换成驱动第一加载单元23在水平方向上旋转运动的动力，第一加载单元23用于夹持至少一个模型40；传动轴21位于箱体11外部的部位连接有驱动传动轴21旋转的驱动机构24。传动轴21在驱动机构24的驱动下做旋转运动，进而经换向机构22带动第一加载单元23在水平方向做旋转运动，从而产生旋转离心力，完成了对模型40施加旋转离心载荷。本实施例中，第一加载装置20采用传动轴21的旋转对模型40施加离心载荷，此离心力较小，转速较低，加载装置的结构简单且运行安全可靠。
优选地，本实施例中，传动轴21水平设置，传动轴21经轴承与箱体11的壁面配合；驱动机构24包括：驱动电机241、联轴器242，驱动电机241的输出轴经联轴器242连接传动轴21。为了减缓轴承的磨损，提高传动轴21及轴承的使用寿命，优选地，驱动电机241的输出轴、联轴器242及传动轴21同轴配合安装。为了保证传动机构的同轴安装度，优选地，根据箱体11壁面上轴承的安装位置，决定驱动电机241的底端是否设置安装支架27。当轴承安装位置高于驱动电机241的输出轴的高度时，通过在驱动电机241的底端设置安装支架27，以满足驱动电机241的输出轴与轴承的配合同心度，有利于减缓轴承磨损，提高其使用寿命，并保证试验过程的安全性。
优选地，换向机构22为锥齿轮传动机构，锥齿轮传动机构实现两相交轴之间的运动和动力的传递，从而将传动轴21的轴向旋转运动转换为第一加载单元23在水平方向上的旋转运动。本实施例中，传动轴21采用水平设置，且传动轴21经锥齿轮传动机构传递动力至第一加载单元23，使得设于箱体11内的第一加载装置20的结构紧凑，占用空间小。
优选地，为了便于对传动轴21施加的旋转离心载荷的大小的控制，驱动电机241经数据线25连接有转速控制箱26，根据试验要求施加的旋转离心载荷的大小，可以计算出实现试验要求的轮盘转速范围，在根据锥齿轮传动机构的啮合齿轮传动比可推导出驱动电机241所要提供的转速值，通过在终端计算机控制程序编辑控制指令实现对转速控制箱26的控制，即可实现对旋转离心载荷的大小的控制。
本实施例中，优选地，第一加载单元23经榫槽-榫头配合夹持模型40。其中，第一加载单元23包括：与箱体11的壁面固接的固定架231、由换向机构22驱动的竖直轴232，竖直轴232经止推轴承与固定架231连接，竖直轴232的上端设有圆盘状的第一夹持部233，第一夹持部233用于沿周向夹持至少一个模型40。其中，竖直轴232在固定架231的上下两侧的直径不等，竖直轴232经止推轴承与固定架231连接，实现竖直轴232的纵向固定，可以防止第一夹持部233及设于其上的模型40连同竖直轴232一起向下滑落，同时降低纵向固定机构的结构复杂度，实现简化工序的目的。本实施例中，固定架231以螺栓连接的方式固定在箱体11的壁面上，起到横向固定第一夹持部233的作用。
参照图3，优选地，本实施例中，第一夹持部233呈圆盘状，包括两个轮盘本体，轮盘本体的中部设有用于与竖直轴232连接的固定部，轮盘本体的外周沿上设有用于夹持模型40的榫槽部，模型40的榫头部41伸入两个轮盘本体相对的榫槽部内，两个轮盘本体的两侧经紧固件固定，如采用螺栓螺母锁紧固定，以防止试验过程中，模型40的榫头部41掉落。安装过程需要注意以下两点：一、模型40的榫头部41的宽度不能超过轮盘本体的榫槽部的宽度，否则轮盘本体会将榫头部41夹住进而影响离心载荷的施加，导致试验结果偏差过大或者错误；二、位于轮盘本体中部的固定部应保证其平面度，以保证模型40的榫头部41可以水平置于轮盘本体上面，保证模型40的榫头部41不会倾斜，与榫槽部的接触位置，即离心载荷的作用点不发生较大偏移，保证试验结果准确度。优选地，第一夹持部233的下轮盘本体与竖直轴232一体加工成型，下轮盘本体与竖直轴232垂直连接，保证模型40的水平夹持，提高离心载荷的加载精度。
参照图1和图2，本实施例中，第二加载装置30包括：设于箱体11内的支撑框架31，支撑框架31上设有至少一个加载横梁32，加载横梁32上连接有多个第二加载单元33，第二加载单元33包括用于将模型40连接至加载横梁32上的第二夹持部331和用于对模型40施加拉伸载荷的施力部332。本实施例中，加载横梁32上设有五套第二加载单元33，每套第二加载单元33对应不同的拉伸力载荷，从而实现拉伸力载荷的多级检测。
优选地，支撑框架31包括用于相对设置的两个横向支撑梁311，横向支撑梁311沿纵向设置有的纵向支撑梁312，两个横向支撑梁311沿相向的方向设置有凹槽部，加载横梁32经凹槽部与横向支撑梁311配合连接。这样，在第二加载单元33与纵向支撑梁312之间形成干涉时，通过沿凹槽部移动加载横梁32进行调整，调整完成后，安装螺栓将加载横梁32与两个相对设置的横向支撑梁311固定，从而实现了针对不同模型40进行试验时的加载装置的调节，避免了重复设计拉伸加载装置的麻烦。优选地，设于两个横向支撑梁311上的加载横梁32的数量可为多个，以满足多级拉伸力载荷的检测需求，提高试验效率。优选地，横向支撑梁311在相向面上加工多个凹槽部，以满足多个横向加载横梁32的横向调节需求。
优选地，第二夹持部331的一端经紧固件34与加载横梁32固接，另一端经榫槽-榫头配合夹持模型40。本实施例中，第二夹持部331为方形，包括相配合的两个方形本体，两个方形本体相对设有凹部，两个方形本体经螺栓螺母固定，两个方形本体的凹部用于夹持模型40上的榫头部41以形成榫槽-榫头配合。本实施例中，两个方形本体之间经三个螺栓螺母组合穿过其上开设的三个通孔固定锁紧，采用三组螺栓螺母组合连接的原因是在方形本体上如果开过多的连接孔就会影响榫槽试验件的强度，导致在高温条件下加载模型40的试验件受拉断裂。如果开孔数少，力的作用点减少，而试验件材料的刚度又不是特别大，这样容易导致试验件变形的同时受力不均匀，会改变榫头榫槽的接触点位置或者在榫头榫槽接触面上形成附加的作用力，影响试验结果准确性，所以在方形本体上共打三个通孔，这样既可以保证试验件的强度，又很大程度上保证试验结果的精确度。
第二夹持部331与加载横梁32连接的一端采用紧固件34固定，可以实现第二夹持部331的旋转调节，当设于同一加载横梁32上的多个第二夹持部331由于模型40的尺寸原因或者安装数量多出现互相干涉情况时，通过调节第二夹持部331与加载横梁32的定位角度，可以有效避免互相干涉情况导致的妨碍试验的情形。本实施例中，第二夹持部331与加载横梁32之间采用螺栓螺母连接。
本实施例中，施力部332包括用于与模型40上远离榫头部41的端部固接的吊杆3321，吊杆3321的底端设置用于承载砝码333的托盘3322。吊杆3321与模型40的端部之间采用螺纹配合连接或者焊接。优选地，吊杆3321与模型40的端部采用螺纹配合连接，其好处在于：一、保证拉伸载荷的作用线在榫头部41的中心，防止力的作用点发生偏移；二、由于连接处可以活动，就可以保证在加载砝码333后即使砝码333连同托盘3322的重心偏移也不会引起力的作用方向发生变化，保证有更纯粹的竖直方向的拉伸载荷。
吊杆3321与托盘3322之间亦可以采用螺纹配合连接或者焊接。优选地，吊杆3321与托盘3322之间选用螺纹配合连接，这样，既便于零件的加工制造，又利于更换和维修。
从上述实施例中可以得知，本装置通过一套简单的载荷生成机构即可实现拉伸载荷与离心载荷的施加，而且对于第一加载装置20来说，可以有效模拟航空发动机燃气涡轮盘叶片榫头高速旋转状态下离心载荷情况；对于第二加载装置30来说，结构相似度高，切换载荷施加状态快捷方便，只需要通过添加质量块即砝码333的个数即可实现完成不同大小载荷的施加，无需提供额外的载荷生成机构，因此能够有效节省资金、降低试验成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)
1.一种模型混合加载装置，用于光弹性应力冻结试验，其特征在于，所述模型混合加载装置包括：
温控装置(10)，用于提供光弹性应力冻结试验的温度场；
第一加载装置(20)，用于给模型(40)提供旋转离心载荷；
第二加载装置(30)，用于给模型(40)提供拉伸载荷；
所述温控装置(10)包括：箱体(11)及用于对所述箱体(11)内部进行温度调节的温度调节器(12)；所述箱体(11)上设有用于观察所述模型(40)的受力状态的观察窗；
所述第一加载装置(20)和所述第二加载装置(30)设于所述箱体(11)内以共用所述温控装置(10)。
2.根据权利要求1所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述第一加载装置(20)包括：伸入所述箱体(11)内的传动轴(21)，所述传动轴(21)经换向机构(22)连接第一加载单元(23)，所述换向机构(22)用于将所述传动轴(21)的输出动力转换成驱动所述第一加载单元(23)在水平方向上旋转运动的动力，所述第一加载单元(23)用于夹持至少一个所述模型(40)；所述传动轴(21)位于所述箱体(11)外部的部位连接有驱动所述传动轴(21)旋转的驱动机构(24)。
3.根据权利要求2所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述传动轴(21)水平设置，所述传动轴(21)经轴承与所述箱体(11)的壁面配合；所述驱动机构(24)包括：驱动电机(241)、联轴器(242)，所述驱动电机(241)的输出轴经所述联轴器(242)连接所述传动轴(21)；所述驱动电机(241)的输出轴、所述联轴器(242)及所述传动轴(21)同轴配合安装；所述换向机构(22)为锥齿轮传动机构。
4.根据权利要求2或者3所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述第一加载单元(23)经榫槽-榫头配合夹持所述模型(40)，所述第一加载单元(23)包括：与所述箱体(11)的壁面固接的固定架(231)、由所述换向机构(22)驱动的竖直轴(232)，所述竖直轴(232)经止推轴承与所述固定架(231)连接，所述竖直轴(232)的上端设有圆盘状的第一夹持部(233)，所述第一夹持部(233)用于沿周向夹持至少一个所述模型(40)。
5.根据权利要求1所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述第二加载装置(30)包括：设于所述箱体(11)内的支撑框架(31)，所述支撑框架(31)上设有至少一个加载横梁(32)，所述加载横梁(32)上连接有多个第二加载单元(33)，所述第二加载单元(33)包括用于将所述模型(40)连接至所述加载横梁(32)上的第二夹持部(331)和用于对所述模型(40)施加拉伸载荷的施力部(332)。
6.根据权利要求5所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述支撑框架(31)包括用于相对设置的两个横向支撑梁(311)，所述横向支撑梁(311)沿纵向设置有的纵向支撑梁(312)，两个所述横向支撑梁(311)沿相向的方向设置有凹槽部，所述加载横梁(32)经所述凹槽部与所述横向支撑梁(311)配合连接。
7.根据权利要求5或者6所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述第二夹持部(331)的一端经紧固件(34)与所述加载横梁(32)固接，另一端经榫槽-榫头配合夹持所述模型(40)。
8.根据权利要求7所述的模型混合加载装置，其特征在于，
第二夹持部(331)包括相配合的两个本体，两个所述本体相对设有凹部，两个所述本体经紧固件固定，所述凹部用于夹持所述模型(40)上的榫头部(41)以形成榫槽-榫头配合。
9.根据权利要求5所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述施力部(332)包括用于与所述模型(40)上远离榫头部(41)的端部固接的吊杆(3321)，所述吊杆(3321)的底端设置用于承载砝码(333)的托盘(3322)。
10.根据权利要求1所述的模型混合加载装置，其特征在于，
所述观察窗采用耐高温光学玻璃制成。
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