CN104075951B - 一种三杆式三点弯曲测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于测试材料动态断裂韧性的实验设备领域，具体涉及一种三杆式三点弯曲测试系统。本系统包括底座，底座上设置支撑装置、加载杆、撞击杆、压气枪以及信号采集处理装置，支撑装置包括底板以及立板，立板上布置有贯穿其板体的凹槽或通孔，凹槽或通孔布置于加载杆行进路径处且其槽壁或孔壁与加载杆活动路径间呈空间避让布置；本系统还包括支撑杆，支撑杆为两个且布置于立板上的相对于加载杆的另一端处，支撑杆相对于测试试样的支撑方向与加载杆施力方向反向布置；加载杆与支撑杆外壁处均贴附有电阻应变片，电阻应变片输出端连通信号采集处理装置。其标准化程度高且数据采集精确稳定，可进一步提升测试试样的动态断裂韧性测试结果的准确性。

Description

一种三杆式三点弯曲测试系统

技术领域

本发明属于测试材料动态断裂韧性的实验设备领域，具体涉及一种三杆式三点弯曲测试系统，以用于高效率的评估和测试金属材料结构在冲击载荷作用下的抗断裂能力。

背景技术

随着社会科技的不断发展，断裂力学在工程中的应用已相当普遍，为了对工程结构作断裂分析，必须先通过试验，获得材料或结构的断裂特性数据，才能更好的使科学付诸应用。断裂试验涉及的范围很广，按试验的规模断裂试验可分为小型的试验室试验、大型的试验室试验和实际的结构试验；按加载速度可分为静态试验和动态试验；按试验环境可分为高温、低温和包含腐蚀介质的试验；按加载方法可分为拉伸和弯曲试验等。其中，三点弯曲实验是断裂韧性测试中应用最广的一种；其因试验中对试样进行三点弯曲加载而得名。三点弯曲试验如图1所示，其测试系统主要包括：压气枪a、撞击杆b以及加载杆c及信号采集与处理系统，其中压气枪a提供撞击杆b以瞬时动力，加载杆c与撞击杆b同心布置，加载杆c相对于撞击杆b的另一端处布置有用于夹持安置试样的试样支撑装置d；试验中，试样支撑装置d处安置好待撞击试样f，压气枪a膛内高压气体驱动撞击杆b，使之同心撞击加载杆c，加载杆c随之将载荷传导至试样f处并使之断裂；加载杆c和撞击杆b均为Φ14.5mm的高强钢(60Si₂Mn)，加载杆c上应变波形的测量采用电阻应变片法，在加载杆c中部贴电阻应变片e测定加载杆上的应变信号；之后通过一系列的应变片的信号记录，从而通过换算来得到该试样的断裂韧性系数。

目前的上述三点弯曲实验，其整体操作流程及理念固然已经趋于完善，然而其物理实验结构仍具备一定的缺陷：上述系统中，各部件往往设置为如图1所示的固定件，其虽然起到了承受一定的冲击载荷和确保机构工作稳定性的作用，然而一方面整体结构笨重而组装复杂，极其不利于甚至根本无法进行拆卸、更换和保养操作，体积庞大的测试系统不但常常为搬运、维护等操作带来额外负担，同时也使整个装置系统的工作灵活性大打折扣，甚至需要针对不同的试样或不同长度的加载杆或撞击杆而需要重新设计测试系统；另一方面，试样支撑装置的实际结构无统一的标准化设计，尺寸大小往往是各个实验部门自行拟定采用，这也是导致各实验部门间测试结果不一的一大因素；更为重要的是，上述传统的三点弯曲测试系统，其测试途径仅依靠加载杆上的电阻应变片来获取，往往存在数据获取不精确的现象，从而影响到后期的数据计算，这些都为操作人员的实际操作带来极大困扰。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的三杆式三点弯曲测试系统，其标准化程度高且数据采集精确稳定，可进一步提升测试试样的动态断裂韧性测试结果的准确性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种三杆式三点弯曲测试系统，包括作为基体的底座，底座上设置用于安置及支撑测试试样的支撑装置、给予测试试样以冲击力的加载杆、用于撞击加载杆的撞击杆、施予撞击杆以瞬时冲力的压气枪以及用于收集测试数据的信号采集处理装置，加载杆与撞击杆同心设置，且加载杆顶端指向测试试样布置，所述支撑装置包括底板以及铅垂布置于底板上的立板，底板构成与底座配合的配合部，立板上布置有贯穿其板体的凹槽或通孔，所述凹槽或通孔布置于加载杆行进路径处且其槽壁或孔壁与加载杆活动路径间呈空间避让布置；本系统还包括用于呈简支梁状垫设测试试样的支撑杆，所述支撑杆为两个且布置于立板上的相对于加载杆的另一端处，支撑杆相对于测试试样的支撑方向与加载杆施力方向反向布置；加载杆与支撑杆外壁处均贴附有电阻应变片，电阻应变片输出端连通信号采集处理装置；

所述底座上设置有导轨部，所述压气枪、撞击杆、加载杆以及支撑杆均布置于导轨部上且与其构成往复导向式固接配合；所述支撑装置上的底板底端面以槽口朝下布置的导轨槽卡嵌于导轨部上，导轨槽侧面设置有紧钉螺纹孔且与前述导轨部的侧面间形成紧定螺钉式固接配合关系。

支撑装置还包括安置于底板上且与立板板面平行布置的衬板，所述衬板布置于立板的相对于加载杆冲撞方向的另一端处，且其上同样设置有供加载杆穿行的通孔部；所述通孔及通孔部均为尺寸大小一致且长度方向横向布置的方形孔，支撑杆的支撑端于方形孔状的通孔部长度方向依次布置且轴对称的分置于加载杆的轴线两侧处。

所述立板、衬板以及底板外形均呈方体状结构，支撑装置还包括顶板，顶板外形呈长方体状，顶板布置于立板及衬板顶端部处且固接两者。

立板和衬板固接于底板的前端部处，底板后端处设置有凸板。

本系统还包括布置于导轨部上的用于阻挡加载杆持续行进的档板部，所述档板部位于加载杆行进路线上的支撑装置后方处；所述档板部与导轨部间构成往复导向式固接配合；档板部的布置位置与支撑杆所处位置间互为避让设置。

本发明的主要优点在于：

1)、摒弃了传统的测试系统所固有的结构体积庞大乃至搬运维护不易等诸多缺陷，通过整体的可拆卸式布局结构，以底板与底座的可拆卸配合来保证装置的便拆性；利用支撑杆的设置，依靠支撑杆和加载杆所构成的三杆式支撑体系，从而实现了在加载杆施予测试试样以力时，数据采集处理装置所获得数据的双向性和精确性，由于支撑杆和加载杆上的感应电阻片均能接收到相应的测试反馈信号，因此测试试样自身在撞击时产生的诸多数据均能被准确的检测到并反应出来，也即三杆式的多部件同步测试方式确保了整个测试数据获取的精确性，从而为整个三点弯曲支撑测试系统的测试设备的统一化提供了基础保证，其数据精准度可得到进一步提升。

2)、利用立板和衬板的相对位置来保证测试试样的安置以及在受到加载杆冲击下的稳固托撑需求，立板上的凹槽或通孔起到了限位测试试样的目的；此外，导轨部的设置，赋予了整个测试系统更大的操作灵活性，实际测试时，操作人员可根据现场的测试实验情况，而针对性的对各部件相对位置进行自由调整，从而满足多种不同实验状况下的测试需求，进而实现其一机多用特性。本发明通过上述改进结构，不但实现了承受动态冲击载荷作用下的三点弯曲支撑装置的小型化需求，同时，采用可拆卸式的固定方法，在搬运和取用时可直接通过拆卸和组装方式实现，甚至在出现部分构件损坏时，利用其结构的标准化而事先设计替换构件，从而实现了装置的易拆卸、维护和保养，进而可用于各种金属材料、复合材料、玻璃材料等三点弯曲试样的动态断裂韧性测试中的有效支撑。

3)、导轨槽的具体设置，进一步的保证了本发明的自移动性和可调性，进而改善了传统的整体固接式支撑装置所带来的体积庞大和难以搬运的缺陷；在实际测试时，还可根据目前撞击杆乃至加载杆长度、乃至其撞击距离，通过适当的对支撑装置沿导轨部进行位置调节，从而能够更为灵活化的保证其装置的适应性和实用性；在将支撑装置调节好位置后，通过紧定螺钉以固接支撑装置与前述导轨部，即可进行后续测试，其操作极为方便快捷。

4)、顶板的设置，进一步的保证了立板与衬板的位置恒定性，从而确保了在加载杆的巨大冲击力作用下，立板与衬板仍能稳固的实现其自身的支撑功能；档板部的设置，则是考虑若试样完全被打断，需要装置中有相应结构吸收加载杆的冲击能量，以防其破坏其它设备；当支撑装置中加载杆冲断测试试样并瞬时减速后，加载杆沿衬板上的预留的通孔部继续行进，再以较低的冲击力撞击在档板部上，从而避免了对其他设备的破坏和确保了操作人员的人身安全，其工作起来显然更为安全可靠。

附图说明

图1为传统结构的三点弯曲试验装置图；

图2为本发明的工作结构示意图；

图3为加载杆与支撑杆进行三杆式三点弯曲实验时相对于测试试样的支撑和冲击位置关系图；

图4为支撑装置的立体结构示意图；

图5为底板的结构主视图；

图6为图5结构的左视图；

图7为立板的结构主视图；

图8为图7结构的左视图；

图9为衬板的其中一种结构的结构主视图；

图10为图9结构的左视图；

图11为顶板的结构主视图；

图12为图11结构的左视图；

图13为凸板的结构主视图；

图14为图13结构的左视图。

图中标号与各部件的对应关系如下：

a-压气枪 b-撞击杆 c-加载杆 d-试样支撑装置 e-电阻应变片

f-试样 g-导轨部 h-档板部 i-支撑杆

10-底板 11-导轨槽 11a-紧钉螺纹孔 20-立板 21-通孔 30-衬板

31-通孔部 40-顶板 50-凸板

具体实施方式

此处结合图2-14对本发明的具体结构及工作流程作以下描述：

本发明的具体结构，可参照图2-4所示，包括底座，底座上沿加载杆c的撞击方向布置有导轨部g，导轨部g上依次布置压气枪a、撞击杆b、加载杆c、支撑装置以及档板部h，其中撞击杆b与加载杆c同心布置，支撑装置用于安置和固定测试试样，档板部h用于止停加载杆c；在档板部h后方，继续布置有支撑杆i，其中支撑杆i的前端向支撑装置处顺延且其前端构成支撑装置上的用于垫设和支撑测试试样的支撑点，支撑杆i杆长方向平行加载杆，且支撑杆i为两根且沿加载杆c轴线方向轴对称布置；测试系统还包括外部的信息采集处理装置，信息采集处理装置具备有电阻应变片e，电阻应变片e贴附在加载杆c乃至两支撑杆i上。实际测试时，压气枪a施予撞击杆b以瞬时冲力，撞击杆b撞击加载杆c，使加载杆c顶端直接施予测试试样以冲击力，测试试样在支撑杆i和加载杆c的互为反向力作用下沿其中部断裂，进而通过布置于加载杆c乃至支撑杆i上的电阻应变片e获得各项测试数据。

支撑装置具体工作时，首先将各部件进行单独的组装操作，再将其各组装后的装置卡嵌于前述导轨部g处并一一加以固定，之后，再将测试试样安置于立板20上的通孔21内，调节好各部件相对位置并相应设定好加载杆c和撞击杆b等一系列构件的状态位置，即可进行后续的测试需求。在实际使用时，甚至可根据通孔部31长度的不同，从而实现不同长度的测试试样的垫设测试需求；还可取出支撑杆i并以垫块固接衬板30，最终实现其既可进行三杆式测试亦可进行普通三点式测试的一机多用的测试特性。在测试时，支撑装置以立板20上的通孔21作为限制测试试样径向动作的容纳孔，而以凸设至衬板30上的通孔部31处的支撑杆i的端部作为抵靠测试试样以限制其沿指定方向动作的约束端，在撞击杆b撞击加载杆c，而加载杆c施予测试试样以力时，支撑杆i直接顶住并吸收测试试样在加载杆c作用下的冲击力，从而使加载杆c直接冲断测试试样，进而完成其测试需要，其整体结构可靠而工作效率高。而在测试完毕后，即可通过对于整个系统的拆卸打包，从而实现其部件的基本的保存维护需求，以留待下次再用。本发明整体结构简单而维护保养方便，工作可靠性高，多零件的可组装式以及导轨式装配结构保证了其自身的模块化和标准化需要，三杆式的多部件同步测试方式也确保了整个测试数据获取的精确性，从而为整个三点弯曲支撑测试系统的测试设备的统一化提供了基础保证，其市场前景广阔。

Claims (4)

1.一种三杆式三点弯曲测试系统，包括作为基体的底座，底座上设置用于安置及支撑测试试样的支撑装置、给予测试试样以冲击力的加载杆(c)、用于撞击加载杆(c)的撞击杆(b)、施予撞击杆(b)以瞬时冲力的压气枪(a)以及用于收集测试数据的信号采集处理装置，加载杆(c)与撞击杆(b)同心设置，且加载杆(c)顶端指向测试试样布置，其特征在于：所述支撑装置包括底板(10)以及铅垂布置于底板(10)上的立板(20)，底板(10)构成与底座配合的配合部，立板(20)上布置有贯穿其板体的凹槽或通孔(21)，所述凹槽或通孔(21)布置于加载杆行进路径处且其槽壁或孔壁与加载杆活动路径间呈空间避让布置；本系统还包括用于呈简支梁状垫设测试试样的支撑杆(i)，所述支撑杆(i)为两个且布置于立板(20)上的相对于加载杆(c)的另一端处，支撑杆(i)相对于测试试样的支撑方向与加载杆(c)施力方向反向布置；加载杆(c)与支撑杆(i)外壁处均贴附有电阻应变片(e)，电阻应变片(e)输出端连通信号采集处理装置；

所述底座上设置有导轨部(g)，所述压气枪(a)、撞击杆(b)、加载杆(c)以及支撑杆(i)均布置于导轨部(g)上且与其构成往复导向式固接配合；所述支撑装置上的底板(10)底端面以槽口朝下布置的导轨槽(11)卡嵌于导轨部(g)上，导轨槽(11)侧面设置有紧钉螺纹孔(11a)且与前述导轨部(g)的侧面间形成紧定螺钉式固接配合关系；

支撑装置还包括安置于底板(10)上且与立板(20)板面平行布置的衬板(30)，所述衬板(30)布置于立板(20)的相对于加载杆冲撞方向的另一端处，且其上同样设置有供加载杆穿行的通孔部(31)；所述通孔(21)及通孔部(31)均为尺寸大小一致且长度方向横向布置的方形孔，支撑杆(i)的支撑端于方形孔状的通孔部(31)长度方向依次布置且轴对称的分置于加载杆(c)的轴线两侧处。

2.根据权利要求1所述的一种三杆式三点弯曲测试系统，其特征在于：所述立板(20)、衬板(30)以及底板(10)外形均呈方体状结构，支撑装置还包括顶板(40)，顶板(40)外形呈长方体状，顶板(40)布置于立板(20)及衬板(30)顶端部处且固接两者。

3.根据权利要求2所述的一种三杆式三点弯曲测试系统，其特征在于：立板(20)和衬板(30)固接于底板(10)的前端部处，底板(10)后端处设置有凸板(50)。

4.根据权利要求1所述的一种三杆式三点弯曲测试系统，其特征在于：本系统还包括布置于导轨部(g)上的用于阻挡加载杆(c)持续行进的档板部(h)，所述档板部(h)位于加载杆(c)行进路线上的支撑装置后方处；所述档板部(h)与导轨部(g)间构成往复导向式固接配合；档板部(h)的布置位置与支撑杆(i)所处位置间互为避让设置。