CN103969114A - 一种蜂窝板疲劳测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝板疲劳测试装置及测试方法，属于材料性能检测技术领域。该蜂窝板疲劳测试装置，气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具通过竖直式测试支架安装在疲劳测试机下底座上，气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具垂直夹持被夹持试样，被夹持试样底端设有偏心轮振动器，偏心轮振动器依次连接偏心轮、外接变频器，外接变频器由电机控制开启，被夹持试样下部分别与电容应变计、电涡流精密位移传感器连接。该测试方法通过测得到不同的应力值对应的疲劳寿命测试结果，并做出寿命-应力曲线，完成对蜂窝板的疲劳测试。该装置蜂窝板夹持器呈梯形截面，避免对蜂窝板造成损伤，试样竖直放置，保证试样受力均匀，该测试方法方便可行，测量准确。

Description

一种蜂窝板疲劳测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种蜂窝板疲劳测试装置及测试方法，属于材料性能检测技术领域。

背景技术

近年来，随着我国新能源、航空、建筑、运输及机械行业的不断发展，国内外对高性能的复合材料的需求在快速增长。蜂窝板由于其质量小、比强度高、刚度大等优良的性能，已广泛应用于风力发电行业及航空航天行业。类似于蜂窝板的这类复合材料产品在实际工况条件下，会受到交变载荷的影响，产生疲劳破坏。实践表明，这类产品的使用寿命与其抵抗弯曲应力的性能密切相关，产品抗弯曲应力的能力强，则产品在使用过程中不易出现损伤、断裂等现象。

目前，复合材料弯曲疲劳一直采用液压伺服系统进行三点、四点弯曲疲劳试验测试，或使用疲劳试验机进行轴向拉伸、旋转弯曲以及共振弯曲测试。其中公开号为CN103175667A“叶片疲劳非接触测量闭环振动测试方法”的发明申请文件提出共振测试，但现有的以上所有方法仅适用于实心材料，不适合中空结构的蜂窝板材料，并且对于小试样来说，重力造成的受力不均影响较大，难以忽略。首先，对于中空结构的蜂窝板材料来说，压力过大易造成夹持部位损伤，在测试疲劳性能时，因夹持所造成的损伤部分会首先产生破坏，无法准确测出实际性能；其次，对振幅检测的精确度以及对试样夹持力、应力的控制较大程度的影响蜂窝板疲劳性能的测试结果。至今为止，没有一种较为理想的，针对蜂窝板疲劳性能的测试方法，也没有相对应配套的夹具，此种缺陷阻碍了新型结构蜂窝板在风力发电以及航空航天行业的发展。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种蜂窝板疲劳测试装置及测试方法。该装置蜂窝板夹持器呈梯形截面，避免夹持器对被测蜂窝板造成损伤，且该装置为竖直式测试系统，试样竖直放置，保证试样受力均匀，避免因水平放置重力带来的测试偏差，该测试方法方便可行，测量准确，并可减少人力消耗以及测试成本，本发明通过以下技术方案实现。

一种蜂窝板疲劳测试装置，包括竖直式测试支架1、气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2、偏心轮振动器4、偏心轮5、变频器6、电机7、电容应变计8、电涡流精密位移传感器9和疲劳测试机下底座10，所述气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2通过竖直式测试支架1安装在疲劳测试机下底座10上，气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2垂直夹持被夹持试样3，被夹持试样3底端设有偏心轮振动器4，偏心轮振动器4依次连接偏心轮5、外接变频器6，外接变频器6由电机7控制开启，达到频率可控目的，被夹持试样3下部分别与电容应变计8、电涡流精密位移传感器9连接。

所述气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2包括外壳、气缸11、活塞12、塞杆13、锁紧螺母14、连接杆15、微调螺母Ⅰ16、塞柱17、微调螺母Ⅱ18和梯形截面夹持器19，该气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2为左右对称结构，其中半边的外壳外部设有依次连接的气缸11、活塞12、塞杆13，半边的外壳内部从中心对称轴至外设有依次连接的梯形截面夹持器19、塞柱17、连接杆15，塞杆13与连接杆15位于同一水平位置。

所述的梯形截面夹持器19通过微调螺母Ⅱ18与塞柱17连接，塞柱17通过微调螺母Ⅰ16与连接杆15连接，连接杆15通过锁紧螺母14安装在外壳上。

一种蜂窝板疲劳测试方法，其具体步骤如下：

步骤1：采用气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2将蜂窝板上端固定并竖直悬放在底座10上方，气缸11连通电源，压缩空气膨胀做功，压力做功推动活塞12往中间移动，气缸的活塞12与塞杆13相连，塞杆13通过连接杆15推动塞柱17，使梯形截面夹持器19夹紧试样；

步骤2：在蜂窝板底部安装偏心轮振动器4，偏心轮振动器4由偏心轮5带动，偏心轮5连接变频器6，变频器6由电机7控制，在蜂窝板下端分别连接电容应变计8、电涡流精密位移传感器9，通过变频器6调整偏心轮5转动因数，从而调整偏心轮振动器4的振动频率，电涡流精密位移传感器9检测蜂窝板的振动幅度，当振动幅度达到最大值时，固定变频器6的频率，并开启电容应变计8记录应力值；

步骤3：偏心轮振动器4与蜂窝板达到共振时，振幅恒定，施加在蜂窝板上为恒幅疲劳加载，每完成一个周期震荡，试样各点处的材料经历一次对称循环应力，一直进行到疲劳破坏或者达到10⁷循环次数为止，并记录下试验时间；

通过在偏心轮振动器4上添加振动块，改变试样与偏心轮振动器4组合件的质量，达到改变试样组件共振固有振幅目的，再通过调节变频器6，用电涡流精密位移传感器9检测蜂窝板的振动幅度，当振动幅度再达到最大值时，固定变频器6的频率，电容应变计8记录应力值；改变振动块的质量，从而测得到不同的应力值对应的疲劳寿命测试结果；

步骤4：由公式N_i=f_i×t_i，式中N_i为每次振动幅度达到最大值并达到产生疲劳破坏时，该试样的疲劳寿命；f_i为每次幅度达到最大时的频率值；t_i为每次从共振到产生疲劳破坏的试验时间，i为1、2、3、……，每次电容应变计记录应力值σ_i，以应力σ_i为纵坐标，lgN_i为横坐标，可得到寿命-应力曲线，完成对蜂窝板的疲劳测试。

本发明的有益效果是：（1）该装置蜂窝板夹持器呈梯形截面，避免夹持器对被测蜂窝板造成损伤；（2）该装置通过添加振动块，改变试样组件共振固有振幅，从而得到所需应力值下的疲劳寿命，因振动块质量可控，故试件应力值可调控；（3）该装置为竖直式测试系统，试样竖直放置，保证试样受力均匀，避免因水平放置重力带来的测试偏差；（4）该装置利用气动夹紧结构启动夹持器，方便装卸试样，提高可控性；（5）设计锁紧螺母控制夹紧力的大小，保证夹紧力恒定性，使用偏心轮振动器，实现试样组件共振幅度可调，利用变频器调节到共振，利用电涡流精密位移传感器检测最大振动幅度，通过检测振幅最大值以找到共振点，提高检测精度，方便判断及记录；（5）电容应变计记录应力值，此方法方便可行，测量准确，并可减少人力消耗以及测试成本。

附图说明

图1是本发明蜂窝板弯曲疲劳测试系统结构示意图；

图2是本发明气压启动螺母锁紧式双边梯形截面夹持器局部放大图。

图中：1-竖直式测试支架，2-气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具，3-被夹持试样，4-偏心轮振动器，5-偏心轮，6-变频器，7-电机，8-电容应变计，9-电涡流精密位移传感器，10-疲劳测试机下底座，11-气缸，12-活塞，13-塞杆，14-锁紧螺母，15-连接杆，16-微调螺母Ⅰ，17-塞柱，18-微调螺母Ⅱ，19-梯形截面夹持器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1至2所示，该蜂窝板疲劳测试装置，包括竖直式测试支架1、气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2、偏心轮振动器4、偏心轮5、变频器6、电机7、电容应变计8、电涡流精密位移传感器9和疲劳测试机下底座10，所述气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2通过竖直式测试支架1安装在疲劳测试机下底座10上，气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2垂直夹持被夹持试样3，被夹持试样3底端设有偏心轮振动器4，偏心轮振动器4依次连接偏心轮5、外接变频器6，外接变频器6由电机7控制开启，达到频率可控目的，被夹持试样3下部分别与电容应变计8、电涡流精密位移传感器9连接。

其中气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2包括外壳、气缸11、活塞12、塞杆13、锁紧螺母14、连接杆15、微调螺母Ⅰ16、塞柱17、微调螺母Ⅱ18和梯形截面夹持器19，该气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2为左右对称结构，其中半边的外壳外部设有依次连接的气缸11、活塞12、塞杆13，半边的外壳内部从中心对称轴至外设有依次连接的梯形截面夹持器19、塞柱17、连接杆15，塞杆13与连接杆15位于同一水平位置；梯形截面夹持器19通过微调螺母Ⅱ18与塞柱17连接，塞柱17通过微调螺母Ⅰ16与连接杆15连接，连接杆15通过锁紧螺母14安装在外壳上。

该蜂窝板疲劳测试方法，其具体步骤如下：

步骤1：采用气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具2将蜂窝板上端固定并竖直悬放在底座10上方，气缸11连通电源，压缩空气膨胀做功，压力做功推动活塞12往中间移动，气缸的活塞12与塞杆13相连，塞杆13通过连接杆15推动塞柱17，使梯形截面夹持器19夹紧试样；

步骤2：在蜂窝板底部安装偏心轮振动器4，偏心轮振动器4由偏心轮5带动，偏心轮5连接变频器6，变频器6由电机7控制，在蜂窝板下端分别连接电容应变计8、电涡流精密位移传感器9，通过变频器6调整偏心轮5转动因数，从而调整偏心轮振动器4的振动频率，电涡流精密位移传感器9检测蜂窝板的振动幅度，当振动幅度达到最大值时，固定变频器6的频率，并开启电容应变计8记录应力值；

步骤3：偏心轮振动器4与蜂窝板达到共振时，振幅恒定，施加在蜂窝板上为恒幅疲劳加载，每完成一个周期震荡，试样各点处的材料经历一次对称循环应力，一直进行到疲劳破坏或者达到10⁷循环次数为止，并记录下试验时间；

通过在偏心轮振动器4上添加振动块，改变试样与偏心轮振动器4组合件的质量，达到改变试样组件共振固有振幅目的，再通过调节变频器6，用电涡流精密位移传感器9检测蜂窝板的振动幅度，当振动幅度再达到最大值时，固定变频器6的频率，电容应变计8记录应力值；改变振动块的质量，从而测得到不同的应力值对应的疲劳寿命测试结果；

步骤4：由公式N_i=f_i×t_i，式中N_i为每次振动幅度达到最大值并达到产生疲劳破坏时，该试样的疲劳寿命，单位为次；f_i为每次幅度达到最大时的频率值，单位为赫兹（Hz）；t_i为每次从共振到产生疲劳破坏的试验时间，单位为秒(S)，i为1、2、3、……，每次电容应变计记录应力值σ_i，，单位为兆帕（Mpa），以应力σ_i为纵坐标，lgN_i为横坐标，可得到寿命-应力曲线，完成对蜂窝板的疲劳测试。

Claims (4)

1.一种蜂窝板疲劳测试装置，其特征在于：包括竖直式测试支架（1）、气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具（2）、偏心轮振动器（4）、偏心轮（5）、变频器（6）、电机（7）、电容应变计（8）、电涡流精密位移传感器（9）和疲劳测试机下底座（10），所述气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具（2）通过竖直式测试支架（1）安装在疲劳测试机下底座（10）上，气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具（2）垂直夹持被夹持试样（3），被夹持试样（3）底端设有偏心轮振动器（4），偏心轮振动器（4）依次连接偏心轮（5）、外接变频器（6），外接变频器（6）由电机（7）控制开启，被夹持试样（3）下部分别与电容应变计（8）、电涡流精密位移传感器（9）连接。

2.根据权利要求1所述的蜂窝板疲劳测试装置，其特征在于：所述气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具（2）包括外壳、气缸（11）、活塞（12）、塞杆（13）、锁紧螺母（14）、连接杆（15）、微调螺母Ⅰ（16）、塞柱（17）、微调螺母Ⅱ（18）和梯形截面夹持器（19），该气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具（2）为左右对称结构，其中半边的外壳外部设有依次连接的气缸（11）、活塞（12）、塞杆（13），半边的外壳内部从中心对称轴至外设有依次连接的梯形截面夹持器（19）、塞柱（17）、连接杆（15），塞杆（13）与连接杆（15）位于同一水平位置。

3.根据权利要求2所述的蜂窝板疲劳测试装置，其特征在于：所述的梯形截面夹持器（19）通过微调螺母Ⅱ（18）与塞柱（17）连接，塞柱（17）通过微调螺母Ⅰ（16）与连接杆（15）连接，连接杆（15）通过锁紧螺母（14）安装在外壳上。

4.一种蜂窝板疲劳测试方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：采用气压启动螺母锁紧式梯形截面夹具（2）将蜂窝板上端固定并竖直悬放在底座（10）上方，气缸（11）连通电源，压缩空气膨胀做功，压力做功推动活塞（12）往中间移动，气缸的活塞（12）与塞杆（13）相连，塞杆（13）通过连接杆（15）推动塞柱（17），使梯形截面夹持器（19）夹紧试样；

步骤2：在蜂窝板底部安装偏心轮振动器（4），偏心轮振动器（4）由偏心轮（5）带动，偏心轮（5）连接变频器（6），变频器（6）由电机（7）控制，在蜂窝板下端分别连接电容应变计（8）、电涡流精密位移传感器（9），通过变频器（6）调整偏心轮（5）转动因数，从而调整偏心轮振动器（4）的振动频率，电涡流精密位移传感器（9）检测蜂窝板的振动幅度，当振动幅度达到最大值时，固定变频器（6）的频率，并开启电容应变计（8）记录应力值；

步骤3：偏心轮振动器（4）与蜂窝板达到共振时，振幅恒定，施加在蜂窝板上为恒幅疲劳加载，每完成一个周期震荡，试样各点处的材料经历一次对称循环应力，一直进行到疲劳破坏或者达到10⁷循环次数为止，并记录下试验时间；

通过在偏心轮振动器（4）上添加振动块，改变试样与偏心轮振动器（4）组合件的质量，达到改变试样组件共振固有振幅目的，再通过调节变频器（6），用电涡流精密位移传感器（9）检测蜂窝板的振动幅度，当振动幅度再达到最大值时，固定变频器（6）的频率，电容应变计（8）记录应力值；改变振动块的质量，从而测得到不同的应力值对应的疲劳寿命测试结果；

步骤4：由公式N_i=f_i×t_i，式中N_i为每次振动幅度达到最大值并达到产生疲劳破坏时，该试样的疲劳寿命；f_i为每次幅度达到最大时的频率值；t_i为每次从共振到产生疲劳破坏的试验时间，i为1、2、3、……，每次电容应变计记录应力值σ_i，以应力σ_i为纵坐标，lgN_i为横坐标，可得到寿命-应力曲线，完成对蜂窝板的疲劳测试。