CN104020048B

CN104020048B - 超高速拉伸试验装置

Info

Publication number: CN104020048B
Application number: CN201410286760.3A
Authority: CN
Inventors: 范尊强; 张霖; 赵宏伟; 时月; 邵明坤; 杨倚寒; 刘宏达; 马志超
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2014-06-25
Filing date: 2014-06-25
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-06-25
Also published as: CN104020048A

Abstract

本发明涉及一种超高速拉伸试验装置，属于非常规金属材料拉伸试验技术与力学检测领域。包括冲击气缸驱动单元、试件拉伸单元、信号检测单元、连接及支撑单元。通过外部系统的控制，冲击气缸产生冲击力，在其作用下，气缸体与活塞带动滑块Ⅰ，滑块Ⅰ与滑块Ⅱ碰撞后以相同的速度沿光杠直线运动，滑块与试件夹具通过连接块相连。具有结构紧凑，体积小，拉伸速度高，检测精度高等特点，可以实现超高速拉伸功能，为进一步研究材料的临界冲击拉伸速度以及在高速作用下的变形损伤机制提供便利，在材料力学研究领域具有良好的应用前景。

Description

超高速拉伸试验装置

技术领域

本发明涉及非常规金属材料拉伸试验技术与力学检测领域，特别涉及一种集驱动、加载、检测为一体的超高速拉伸试验装置。

背景技术

拉伸是测试材料力学性能的一种方法，现有的拉伸过程的研究大都是在静态载荷条件下的情形，而在实际工程应用中的构件，很多都处在冲击等动态载荷作用的条件，例如飞机、火车、汽车等交通工具都是处于高速的状态，一旦发生危险，产生的力均是极大的冲击力。这就迫切需要我们对材料在动态载荷作用下的力学性能进行研究，较为细致地了解材料在高速载荷作用下的本构关系及破坏机理，为进行材料筛选或材料设计奠定基础。因此，设计一种体积小巧、结构紧凑，测试精度高的超高速拉伸试验装置可为力学测试领域提供新的研究手段，即可对材料在动态加载过程中的微观力学行为及变形损伤机制进行深入研究。

材料动态力学行为的宏观研究开展较为广泛，已取得一些可喜的成果。与之相比，微观特征分析研究则逊色得多，由于缺少相应装置，国内外开展得甚少。近年来随着科学发展和新技术、新材料的应用，各种材料在某种特定条件下的性能研究，愈加受到重视。材料的高速拉伸试验就是了解材料特性和变形速度相关性的基本方法之一。高速拉伸试验，由于速度很高(一般在每秒数米至数百米)，一般常规试验机如电子万能试验机，已无法满足要求，因此，国外一些厂家从60年代起就已开始了高速拉伸试验机的研制和生产，设计和采用了多种快速加荷的驱动方式，以适应各种速度变化范围，达到试验目的。目前多数部门高速拉伸试验只能用冲击试验机代替或自制较简单的试验装置进行，试验能力有限，条件落后。因此，尚需此方面的着重研究，促进技术进步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高速拉伸试验装置，解决了现有技术存在的结构庞大、耗能高，精度低、成本高等问题。本发明具有结构紧凑，体积小，拉伸速度高，检测精度高的特点，可以对材料进行超高速拉伸，并且能够在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形以及损伤断裂过程，可通过超高速拉伸测试获得材料的断裂应变、临界冲击拉伸速度，也可通过材料的“高速应变强化”现象，从而获得材料在高速拉伸载荷作用下的强度、模量及断裂应变等重要力学参数。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

超高速拉伸试验装置，包括冲击气缸驱动单元、试件拉伸单元、信号检测单元，所述冲击气缸驱动单元、试件拉伸单元是：四个冲击气缸14的输出端活塞与滑块Ⅰ13相连，通过外部系统的控制，冲击气缸14推产生冲击力，在其作用下冲击气缸14带动滑块Ⅰ13与滑块Ⅱ12碰撞后沿花台5上的光杠10做直线运动，活塞带动滑块Ⅰ13与滑块Ⅱ12碰撞后以相同的速度沿光杠10做反向直线运动，光杠10穿过滑块Ⅰ、Ⅱ13、12，并固定在花台上，光杠10与滑块Ⅰ、Ⅱ13、12间通过轴承Ⅰ11连接，光杠10与花台5通过轴承Ⅱ9连接；四个冲击气缸14分别固定在滑块Ⅰ13的四角；支架Ⅱ3通过螺钉固定在花台5上，支架Ⅰ4通过螺钉固定在支架Ⅱ3上，支架Ⅰ4支撑冲击气缸14，使其沿支架Ⅰ4做直线运动；试件夹持部分通过连接块15和力传感器19固定在滑块Ⅱ12上，连接块15穿过滑块Ⅰ13中间的圆孔，力传感器19螺纹连接在连接块15与滑块Ⅱ12上。

所述的四个冲击气缸14上设有火花塞，四个火花塞用一个导线连接起来，通过外部系统的控制使导线通入电流，则可点燃冲击气缸内的火药粉末、汽油喷雾或者氧氢混合气等可燃物从而释放大量能量，在冲击力的作用下，冲击气缸与活塞做反方向的直线运动，在此过程中可以通过调整气缸内可燃物的浓度来调整冲击力，从而调整拉伸的速度。

所述的试件夹持部分是由试件17、夹具18、压板16、连接块15、力传感器19组成，所述夹具18通过螺钉固定在连接块15上，压板16通过螺钉固定在夹具18上，试件17通过夹具18的凸台与压板16的凹槽夹持，夹具18的凸台上分布着尖锐的凸起，增加夹持力。

所述的信号检测单元由力传感器19和位移传感器20组成，所述力传感器19的一端与滑块Ⅱ12螺纹固定连接，另一端与连接块15螺纹固定连接，滑块Ⅱ12在直线运动的过程中，力传感器19用于测量拉伸过程中的作用力，位移传感器20置于两连接块15之间。

所述的滑块Ⅰ13和滑块Ⅱ12的接触面设有四个球形缓冲块，在滑块Ⅰ13和滑块Ⅱ12碰撞的过程中起缓冲作用。

所述的连接块15的一端与力传感器19螺丝连接，另一端连接试件17的拉伸夹具，起到连接与传力的作用。

所述的花台5底部安装导轨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、7、6从而与外罩1相连，导轨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、7、6之间可相对滑动，方便外罩1的装卸，花台5内部通过螺钉固定四个三角铁2保证花台强度，花台5外部的凸台22抵住端盖，端盖与外罩1用螺钉固定，保证拉伸过程的花台不窜动。

所述的外罩1与端盖将超高速拉伸试验装置封闭，拉伸过程速度大容易发生危险，将装置放在罩内保证超高速拉伸时的安全性，外罩1顶部设有观察窗21，可在观察窗21上部放置观测仪器，直观的观测超高速拉伸的过程。

本发明的有益效果在于：结构紧凑，体积小，拉伸速度高，检测精度高，可以对材料进行超高速拉伸。利用本发明提出的试验装置可以对材料进行超高速拉伸，并且能够在线监测宏观试件在载荷作用下的微观变形以及损伤断裂过程，可通过超高速拉伸测试获得材料的断裂应变、临界冲击拉伸速度，也可通过材料的“高速应变强化”现象，从而获得材料在高速拉伸载荷作用下的强度、模量及断裂应变等重要力学参数。通过载荷/位移信号的同步检测，应用相关算法，可进行数据收集和误差分析，能够实现测试实验与动态在线观测相结合，实用性强。综上所述，本发明对丰富材料力学性能测试内容和促进材料力学性能测试技术及装备的发展，具有重要的理论指导意义和良好的应用开发前景。

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为本发明的立体外观示意图；

图2为本发明的俯视示意图；

图3为本发明的左视示意图；

图4为本发明的试件夹持部分的立体结构示意图。

图中：1、外罩；2、三角铁；3、支架Ⅱ；4、支架Ⅰ；5、花台；6、导轨Ⅰ；7、导轨Ⅱ；8、导轨Ⅲ；9、轴承Ⅱ；10、光杠；11、轴承Ⅰ；12、滑块Ⅱ；13、滑块Ⅰ；14、冲击气缸；15、连接块；16、压板；17、试件；18、夹具；19、力传感器；20、位移传感器；21、观察窗；22、凸台。

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4所示，本发明的超高速拉伸试验装置包括冲击气缸驱动单元、试件拉伸单元、信号检测单元、连接及支撑单元，所述冲击气缸驱动单元、试件拉伸单元是：四个冲击气缸14的输出端活塞与滑块Ⅰ13相连，通过外部系统的控制，冲击气缸14推产生冲击力，在其作用下冲击气缸14带动滑块Ⅰ13与滑块Ⅱ12碰撞后沿花台5上的光杠10做直线运动，活塞带动滑块Ⅰ13与滑块Ⅱ12碰撞后以相同的速度沿光杠10做反向直线运动，光杠10穿过滑块Ⅰ、Ⅱ13、12，并固定在花台上，光杠10与滑块Ⅰ、Ⅱ13、12间通过轴承Ⅰ11连接，光杠10与花台5通过轴承Ⅱ9连接；四个冲击气缸14分别固定在滑块Ⅰ13的四角；支架Ⅱ3通过螺钉固定在花台5上，支架Ⅰ4通过螺钉固定在支架Ⅱ3上，支架Ⅰ4支撑冲击气缸14，使其沿支架Ⅰ4做直线运动；试件夹持部分通过连接块15和力传感器19固定在滑块Ⅱ12上，连接块15穿过滑块Ⅰ13中间的圆孔，力传感器19螺纹连接在连接块15与滑块Ⅱ12上。

参见图4所示，所述的试件夹持部分是由试件17、夹具18、压板16、连接块15、力传感器19组成，所述夹具18通过螺钉固定在连接块15上，压板16通过螺钉固定在夹具18上，试件17通过夹具18的凸台与压板16的凹槽夹持，夹具18的凸台上分布着尖锐的凸起，增加夹持力。

所述的信号检测单元由力传感器19和位移传感器20组成，所述力传感器19的一端与滑块Ⅱ12螺纹固定连接，另一端与连接块15螺纹固定连接，滑块Ⅱ12在直线运动的过程中，力传感器19用于测量拉伸过程中的作用力，位移传感器20一端通过螺钉固定在连接块15上，另一端与另一连接块15接触。

所述的连接块15形状如图3所示，其一端与力传感器19螺丝连接，另一端连接试件17的拉伸夹具，起到连接与传力的作用。

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

1.一种超高速拉伸试验装置，包括冲击气缸驱动单元、试件拉伸单元、信号检测单元，其特征在于：所述冲击气缸驱动单元、试件拉伸单元是：四个冲击气缸（14）的输出端活塞与滑块Ⅰ（13）相连，通过外部系统的控制，冲击气缸（14）推产生冲击力，在其作用下冲击气缸（14）带动滑块Ⅰ’（13’）与滑块Ⅱ’（12’）碰撞后沿花台（5）上的光杠（10）做直线运动，活塞带动滑块Ⅰ（13）与滑块Ⅱ（12）碰撞后以相同的速度沿光杠（10）做反向直线运动，光杠（10）依次穿过滑块Ⅱ（12）、滑块Ⅰ（13）、滑块Ⅰ’（13’）与滑块Ⅱ’（12’），并固定在花台上，光杠（10）与滑块Ⅱ（12）、滑块Ⅰ（13）、滑块Ⅰ’（13’）与滑块Ⅱ’（12’）间通过轴承Ⅰ（11）连接，光杠（10）与花台（5）通过轴承Ⅱ（9）连接；四个冲击气缸（14）分别固定在滑块Ⅰ’（13’）的四角；支架Ⅱ（3）通过螺钉固定在花台（5）上，支架Ⅰ（4）通过螺钉固定在支架Ⅱ（3）上，支架Ⅰ（4）支撑冲击气缸（14），使其沿支架Ⅰ（4）做直线运动；试件夹持部分的一端通过连接块Ⅰ（15）和力传感器Ⅰ（19）固定在滑块Ⅱ（12）上，连接块Ⅰ（15）穿过滑块Ⅰ（13）中间的圆孔，力传感器Ⅰ（19）螺纹连接在连接块Ⅰ（15）与滑块Ⅱ（12）上，试件夹持部分的另一端通过连接块Ⅱ（15’）和力传感器Ⅱ（19’）固定在滑块Ⅱ’（12’）上，连接块Ⅱ（15’）穿过滑块Ⅰ’（13’）中间的圆孔，力传感器Ⅱ（19’）螺纹连接在连接块Ⅱ（15’）与滑块Ⅱ’（12’）上。

2.根据权利要求1所述的超高速拉伸试验装置，其特征在于：所述的四个冲击气缸（14）上设有火花塞，四个火花塞用一根导线连接起来，通过外部系统的控制使导线通入电流，点燃冲击气缸内的可燃物从而释放大量能量，在冲击力的作用下，冲击气缸与活塞做反方向的直线运动，在此过程中可以通过调整冲压气缸内可燃物的浓度来调整冲击力，从而调整拉伸的速度。

3.根据权利要求1所述的超高速拉伸试验装置，其特征在于：所述的试件夹持部分是由试件（17）、夹具Ⅰ（18）、夹具Ⅱ（18’）、压板Ⅰ（16）、压板Ⅱ（16’）、连接块Ⅰ（15）、连接块Ⅱ（15’）、力传感器Ⅰ（19）、力传感器Ⅱ（19’）组成，所述夹具Ⅰ（18）通过螺钉固定在连接块Ⅰ（15）上，夹具Ⅱ（18’）通过螺钉固定在连接块Ⅱ（15’）上，压板Ⅰ（16）通过螺钉固定在夹具Ⅰ（18）上，压板Ⅱ（16’）通过螺钉固定在夹具Ⅱ（18’）上，试件（17）一端通过夹具Ⅰ（18）的凸台与压板Ⅰ（16）的凹槽夹持，另一端通过夹具Ⅱ（18’）的凸台与压板Ⅱ（16’）的凹槽夹持，夹具Ⅰ（18）、夹具Ⅱ（18’）的凸台上均分布着尖锐的凸起，增加夹持力。

4.根据权利要求1所述的超高速拉伸试验装置，其特征在于：所述的信号检测单元由力传感器Ⅰ（19）、力传感器Ⅱ（19’）和位移传感器（20）组成，所述力传感器Ⅰ（19）的一端与滑块Ⅱ（12）螺纹固定连接，另一端与连接块Ⅰ（15）螺纹固定连接，滑块Ⅱ（12）在直线运动的过程中，力传感器Ⅰ（19）测量拉伸过程中的作用力，所述力传感器Ⅱ（19’）的一端与滑块Ⅱ’（12’）螺纹固定连接，另一端与连接块Ⅱ（15’）螺纹固定连接，滑块Ⅱ’（12’）在直线运动的过程中，力传感器Ⅱ（19’）测量拉伸过程中的作用力；位移传感器（20）置于连接块Ⅰ（15）、连接块Ⅱ（15’）之间。

5.根据权利要求1或3或4所述的超高速拉伸试验装置，其特征在于：所述的连接块Ⅰ（15）的一端与力传感器Ⅰ（19）螺纹连接，另一端连接试件（17）的拉伸夹具Ⅰ（18），连接块Ⅱ（15’）的一端与力传感器Ⅱ（19’）螺纹连接，另一端连接试件（17）的拉伸夹具Ⅱ（18’）起到连接与传力的作用。

6.根据权利要求1所述的超高速拉伸试验装置，其特征在于：所述的滑块Ⅰ（13）和滑块Ⅱ（12）的接触面设有四个球形缓冲块，在滑块Ⅰ（13）和滑块Ⅱ（12）碰撞的过程中起缓冲作用。

7.根据权利要求1所述的超高速拉伸试验装置，其特征在于：所述的花台（5）底部安装导轨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（8、7、6）从而与外罩（1）相连，导轨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（8、7、6）之间可相对滑动，方便外罩（1）的装卸，花台（5）内部通过螺钉固定四个三角铁（2）保证花台强度，花台（5）外部的凸台（22）抵住端盖，端盖与外罩（1）用螺钉固定，保证拉伸过程的花台不窜动。

8.根据权利要求7所述的超高速拉伸试验装置，其特征在于：所述的外罩（1）与端盖将超高速拉伸试验装置封闭，外罩（1）顶部设有观察窗（21），观察窗（21）上部放置观测仪器，直观的观测超高速拉伸的过程。