CN104677746B - 复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法，属于精密驱动领域。三个内置封装型压电叠堆的多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式，通过球面副和转动副的运动传递，其在不同时序电压下的轴向伸长运动对应于被测微尺度构件不同模式的拉伸‑弯曲复合受载形式，即可实现试件其中一夹持端的三自由度高频交变运动。带有规则沟槽结构的拉伸压电驱动器亦可实现较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载。此外，氮化硅加热片嵌入式安装于夹具体的矩形卡槽中，可构建出具有可控温度梯度的服役温度场。本发明结构紧凑，测试内容丰富，可对航空发动机材料等在高温服役环境下的多应力疲劳失效行为进行研究。

Description

复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法

技术领域

本发明涉及精密驱动和材料力学性能测试领域，特别涉及一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法。通过与三维数字散斑成像仪器的兼容使用，本发明可开展拉伸-弯曲复合载荷作用下的高温疲劳性能测试，可对航空发动机材料等在高温服役环境下的多应力疲劳失效行为进行研究，从而为提升工程结构的服役可靠性提供测试方法。

背景技术

材料或构件在受重复或交变载荷作用时，虽然材料或构件所受载荷幅值远小于其抗拉强度或屈服强度，甚至小于弹性载荷，但经反复的变形累积，最终发生断裂破坏通常是由于疲劳载荷所致。据统计，在各类机械零件的失效案例中，大约80%以上是由疲劳破坏引起的。目前疲劳测试的载荷形式大都为单一载荷，如拉伸压缩模式的疲劳测试和三点弯曲模式的疲劳测试。而实际工况下许多构件的受载形式并非单一载荷，而是多种载荷形式的共同作用，材料在复合载荷作用下的损伤、失效行为与单一载荷作用下的行为迥然不同。因此复合载荷模式的原位力学测试对深入研究材料性能演变、失效破坏机制具有重要意义。目前针对基于拉伸模式的复合载荷测试，也仅限于对Arcan夹具的适当改造而实现的拉伸-剪切复合载荷测试。对于拉伸-剪切复合载荷测试的加载方法，以色列特拉维夫大学的M.Arcan于1977年便提出利用拉伸方向与平板试件轴线互成锐角的方法来构建平面应力状态，将其所研制的盘形夹持机构与拉伸试验机集成，并在夹持机构上粘贴电阻应变片，可对拉伸载荷作用下盘形中央区域的剪应力及剪应变进行测量，M. Arcan对该应力状态下拉伸及剪切载荷引起的应力、应变的解耦是通过简单地载荷与位移的合成与分解实现的。因该夹持机构结构简单，且通过简单的改变轴线偏移角，可获得丰富的平面应力状态，为各向异性材料的力学性能研究提供了有力工具，因此该夹持机构被之后的研究人员命名为Arcan夹具并被广泛应用。基于Arcan夹具，现有拉伸-剪切模式的原位复合载荷测试大都借助于CCD的在线监测。如2011年法国国立海军工程学院（ENSIETA）的J. Y. Cognard和2008年美国南卡罗来纳大学的J. H. Yan分别利用改进型的Arcan夹具搭建了CCD下的拉伸-剪切复合载荷测试系统，并对复合材料的层间结合能力以及带有预制裂纹的脆性薄板材料的断裂行为进行了研究。这些研究工作均将改进型的Arcan夹具集成于非原位拉伸试验机上。

另一方面，关键材料保障能力不足严重制约我国经济发展和科技进步，大飞机、载人航天等重大专项和新材料、高端装备制造等战略性产业都急需提升材料力学性能。提高复杂载荷条件下材料损伤机制的测试能力，可有效提升我国材料性能测试水平。《国家中长期科技发展规划纲要》明确指出了相关研究的迫切性。考虑到材料的实际使用工况，材料及其制品在使用过程中往往受到非单一载荷形式的作用，如拉-弯组合、压-扭组合及拉-扭组合等多种载荷同时存在的情况，单一载荷形式的力学测试已经难以准确反映实际工况下材料及构件的受载形式，即无法对复合载荷作用下材料的力学性能做出准确的评价。多载荷模式材料微观力学性能测试接近于材料在实际使用过程中所处的条件，与常规单一载荷和理想环境下材料力学性能测试相比，利用这种测试方法测量的材料力学性能数据更具有实际参考性，可以获取材料对复杂载荷条件和物理环境的力学响应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法，解决了现有高温疲劳测试装置仅具备单一载荷模式的测试内容，如拉伸-压缩模式、三点弯曲模式等。本发明由压电式三自由度加载单元、高温加载及水冷单元、压电式拉伸加载单元、检测单元及支撑单元组成。利用压电驱动元件驱动频率高、测试精度高、体积小巧、结构紧凑和输出位移易于控制等优势，本发明可实现对被测试件三自由度高频交变载荷的加载，即可实现不同模式的拉伸-弯曲复合载荷疲劳测试。与此同时，带有规则沟槽结构的压电驱动器亦可实现较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载。此外，采用氮化硅加热片作为高温加热元件，可构建具有可控温度梯度的服役温度场。因此，本发明可对航空发动机材料等在高温服役环境下的多应力疲劳失效行为进行研究。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，包括压电式三自由度加载单元、高温加载及水冷单元、压电式拉伸加载单元、检测单元及支撑单元，其中压电式三自由度加载单元中的多载荷柔性铰链10与支撑单元中的转动副11为一体，球面副移动端6与支撑单元中的球面副固定支架3以及球面副活动支架4的球形凹面保持球面接触；高温加载及水冷单元中的氮化硅加热片24嵌入式安装于压电式拉伸加载单元中的下夹具体23和上夹具体26的矩形卡槽中，压电式拉伸加载单元中的铰链支撑架20通过螺纹连接方式与支撑单元中的固定平台15刚性连接；检测单元为三向力传感器27，其分别通过螺纹连接方式与支撑单元中的传感器法兰1以及压电式拉伸加载单元中的上夹具体26刚性连接；

所述压电式三自由度加载单元包括三个球面副移动端6和三个多载荷压电驱动器，每个多载荷压电驱动器由预紧楔形块7、预紧螺钉8、多载荷封装式压电叠堆9和多载荷柔性铰链10组成，圆柱形多载荷封装式压电叠堆9具有输出位移自检测功能；

所述高温加载及水冷单元包括外层水冷管22、氮化硅加热片24、水冷板30、隔热板31和导热板32，其中水冷板30、隔热板31和导热板32固定安装在上夹具体26和下夹具体23内，氮化硅加热片24嵌入式安装在两夹具体的矩形卡槽中，对被测试件25进行均布高温加热；

所述压电式拉伸加载单元包括拉伸压电驱动器、耐高温隔热棉16、平垫片18、膨胀螺栓19、铰链支撑架20、下夹具法兰21、下夹具体23、试件25和上夹具体26，其中拉伸压电驱动器由拉伸柔性铰链17和拉伸封装式压电叠堆29组成，拉伸压电驱动器、下夹具法兰21、下夹具体23和上夹具体26采用串联式安装方式，其安装轴线为本发明在竖直方向上的几何对称轴线；

所述检测单元包括传感器法兰1、三向力传感器27和传感器法兰安装螺钉28，移动平台2的倾覆运动通过三向力传感器27和上夹具体26传递至被测试件25，三向力传感器27用于检测试件25所受的拉伸及弯曲载荷；

所述支撑单元包括球面副移动部分和转动副固定部分，其中球面副移动部分由移动平台2、球面副固定支架3、球面副活动支架4和球面副紧固螺钉5组成，转动副固定部分由圆锥滚子轴承12、转动副螺母13、转动轴14和固定平台15组成，通过球面副活动支架4、球面副紧固螺钉5和球面副移动端6组成的球面副实现移动平台2的三自由度运动。

复合应力为基于三自由度并联机构实现的拉伸-弯曲复合应力。所述的三个多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式，其输出的高频交变位移通过由球面副移动端6、球面副固定支架3以及球面副活动支架4组成的球面副传递至移动平台2，基于多模式的时序驱动电压，三个多载荷封装式压电叠堆9实现多样的轴向伸长运动的组合形式，即驱动移动平台2实现三自由度高频交变运动；进而，被测微尺度试件25实现不同模式的高频拉伸-弯曲复合受载形式。

所述的氮化硅加热片24具有不同的温度测量行程，其两两对称安装于上夹具体26和下夹具体23的矩形卡槽中，氮化硅加热片24根据测试温度的需求进行插拔更换，其产生的热量经上夹具体26和下夹具体23传导至试件25上；当向四个氮化硅加热片24施加不同幅值的交流电压时，试件25的受热环境实为具有可控温度梯度的服役温度场；隔热板31和导热板32均固定安装在上夹具体26和下夹具体23中，其材料分别为耐高温隔热棉和紫铜；外层水冷管22中的循环水介质用于隔热板31的实时降温，导热板32用于将氮化硅加热片24产生的热量传递至被测试件25。

所述的拉伸压电驱动器为试件25在复合应力下的疲劳测试提供较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载。拉伸压电驱动器的安装轴线与本发明在竖直方向上的几何对称轴线同轴。拉伸柔性铰链17的刚性部分通过平垫片18和膨胀螺栓19与铰链支撑架20刚性连接，其柔性变形部分加工有规则沟槽结构，该沟槽结构确保拉伸封装式压电叠堆29承受压缩载荷，且对拉伸封装式压电叠堆29输出的直线位移进行恒比率的线性放大；膨胀螺栓19确保拉伸柔性铰链17的柔性变形部分不与铰链支撑架20发生摩擦。

所述的耐高温隔热棉16与多载荷柔性铰链10的刚性部分紧固连接，三个耐高温隔热棉16的相对位置为等边三角形拓扑形式，且均面向被测试件25安装，用于隔绝氮化硅加热片24对多载荷封装式压电叠堆9的直接热辐射，削弱高温辐射对多载荷封装式压电叠堆9输出位移的影响；铰链支撑架20的侧壁上加工有规则的镂空栅格，用于拉伸封装式压电叠堆29的散热。

所述的多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29均为叠堆式压电陶瓷促动器，具有输出位移自检测功能，响应时间为亚毫秒级；结合多载荷柔性铰链10和拉伸柔性铰链17柔性变形机构的恒定位移放大比率，分别获取四个压电驱动器输出端亚纳米分辨率的实时位移。因此，本发明无需配置其他元件即可对压电驱动器的输出位移进行检测。此外，本发明体积小巧，结构紧凑，亦可与三维数字散斑成像仪器兼容使用，对被测试件25在拉伸-弯曲复合载荷作用下的应变进行实时检测。

本发明的另一目的在于提供一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试方法，首先将被测试件25的夹持部分安装至下夹具体23和上夹具体26的楔形凹槽中，以确保初拉伸测试的初始对中性。之后打开流体介质控制阀，在外层水冷管22中通低温冷却水，向四组氮化硅加热片24施加最高幅值为220V的交变电压，根据权利要求3所述，当向四个氮化硅加热片24施加不同幅值的交流电压时，试件25的受热环境实为具有可控温度梯度的服役温度场，因氮化硅加热片24的升温即快，构建的温度场可在半分钟内达到温度稳态。在完成试件装夹和温度施加后，由任意波形发生器给定特定的频率和波形信号，通过功率放大器，将输出的电压信号作用于多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29两组电极上。拉伸压电驱动器可为试件25提供较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载，试验中可向拉伸封装式压电叠堆29施加120V的直流电压。根据被测试件25实际工况下的受载形式，可对三个多载荷封装式压电叠堆9施加不同幅值的交变正弦电压，但施加电压的频率需一致，使其输出不同幅值的交变位移。如可向其中一个多载荷封装式压电叠堆9施加幅值为50V、频率为100Hz的交变电压，向对侧另两个多载荷封装式压电叠堆9施加幅值为100V、频率为100Hz的交变电压，即可实现同频拉伸-弯曲复合载荷疲劳测试。

本发明的有益效果在于：本发明可实现亚毫米级的响应时间和亚纳米级的输出位移分辨率，结构紧凑，主体尺寸为153 mm × 146 mm × 135 mm。与现有技术相比，本发明可实现多种模式的拉伸-弯曲复合载荷疲劳测试，同时具备较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载功能。此外，利用最高加热温度可达1500℃的氮化硅加热片，可对被测试件进行均布高温加热。亦可构建具有可控温度梯度的服役温度场。因此，本发明可为了解、揭示复杂服役环境下材料的疲劳损伤机制提供了测试方法，亦可为提升工程结构的服役可靠性和稳定性提供了研究思路。

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为本发明的俯视示意图；

图3为本发明的拉伸压电驱动器示意图；

图4为本发明的多载荷压电驱动器示意图；

图5为本发明的高温加载及制冷原理示意图；

图6为本发明的三自由度运动的原理图。

图中：1. 传感器法兰、2. 移动平台、3. 球面副固定支架、4. 球面副活动支架、5.球面副紧固螺钉、6. 球面副移动端、7. 预紧楔形块、8. 预紧螺钉、9. 多载荷封装式压电叠堆、10. 多载荷柔性铰链、11. 转动副、12. 圆锥滚子轴承、13. 转动副螺母、14. 转动轴、15. 固定平台、16. 耐高温隔热棉、17. 拉伸柔性铰链、18. 平垫片、19. 膨胀螺栓、20.铰链支撑架、21. 下夹具法兰、22. 外层水冷管、23. 下夹具体、24. 氮化硅加热片、25.试件、26. 上夹具体、27. 三向力传感器、28. 传感器法兰安装螺钉、29. 拉伸封装式压电叠堆、30. 水冷板、31. 隔热板、32. 导热板。

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，本发明的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置及方法，包括压电式三自由度加载单元、高温加载及水冷单元、压电式拉伸加载单元、检测单元及支撑单元。其中压电式三自由度加载单元中的多载荷柔性铰链10与支撑单元中的转动副11实为一体，球面副移动端6与支撑单元中的球面副固定支架3以及球面副活动支架4的球形凹面保持球面接触。高温加载及水冷单元中的氮化硅加热片24嵌入式安装于压电式拉伸加载单元中的下夹具体23和上夹具体26的矩形卡槽中。压电式拉伸加载单元中的铰链支撑架20通过螺纹连接方式与支撑单元中的固定平台15保持刚性连接。检测单元为三向力传感器27，其分别通过螺纹连接方式与支撑单元中的传感器法兰1以及压电式拉伸加载单元中的上夹具体26刚性连接。

所述的压电式三自由度加载单元包括三个球面副移动端6和三个多载荷压电驱动器，每个多载荷压电驱动器由预紧楔形块7、预紧螺钉8、多载荷封装式压电叠堆9和多载荷柔性铰链10组成，圆柱形多载荷封装式压电叠堆9具有输出位移自检测功能。多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式。所述的高温加载及水冷单元包括外层水冷管22、氮化硅加热片24、水冷板30、隔热板31和导热板32。其中水冷板30、隔热板31和导热板32固定安装在上夹具体26和下夹具体23内，氮化硅加热片24嵌入式安装在两夹具体的矩形卡槽中，可对被测试件25进行均布高温加热。所述的压电式拉伸加载单元包括拉伸压电驱动器、耐高温隔热棉16、平垫片18、膨胀螺栓19、铰链支撑架20、下夹具法兰21、下夹具体23、试件25和上夹具体26。其中拉伸压电驱动器由拉伸柔性铰链17和拉伸封装式压电叠堆29组成。拉伸压电驱动器、下夹具法兰21、下夹具体23和上夹具体26采用串联式安装方式，其安装轴线为本发明在竖直方向上的几何对称轴线。所述的检测单元包括传感器法兰1、三向力传感器27和传感器法兰安装螺钉28。移动平台2的倾覆运动通过三向力传感器27和上夹具体26传递至被测试件25，三向力传感器27用于检测试件25所受的拉伸及弯曲载荷。所述的支撑单元包括球面副移动部分和转动副固定部分，其中球面副移动部分由移动平台2、球面副固定支架3、球面副活动支架4和球面副紧固螺钉5组成，转动副固定部分由圆锥滚子轴承12、转动副螺母13、转动轴14和固定平台15组成。通过球面副活动支架4、球面副紧固螺钉5和球面副移动端6组成的球面副可实现移动平台2的三自由度运动。

所述的复合应力为基于三自由度并联机构实现的拉伸-弯曲复合应力。三个多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式，其输出的高频交变位移通过由球面副移动端6、球面副固定支架3以及球面副活动支架4组成的球面副传递至移动平台2。基于多模式的时序驱动电压，三个多载荷封装式压电叠堆9可实现多样的轴向伸长运动的组合形式，即可驱动移动平台2实现三自由度高频交变运动。进而，被测微尺度试件25可实现不同模式的高频拉伸-弯曲复合受载形式。

所述的氮化硅加热片24具有不同的温度测量行程，其两两对称安装于上夹具体26和下夹具体23的矩形卡槽中。氮化硅加热片24可根据测试温度的需求进行插拔更换，其产生的热量经上夹具体26和下夹具体23传导至试件25上。当向四个氮化硅加热片24施加不同幅值的交流电压时，试件25的受热环境实为具有可控温度梯度的服役温度场。隔热板31和导热板32均固定安装在上夹具体26和下夹具体23中，其材料分别为耐高温隔热棉和紫铜。外层水冷管22中的循环水介质用于隔热板31的实时降温，导热板32用于将氮化硅加热片24产生的热量传递至被测试件25。

所述的拉伸压电驱动器可为试件25在复合应力下的疲劳测试提供较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载。拉伸压电驱动器的安装轴线与本发明在竖直方向上的几何对称轴线同轴。拉伸柔性铰链17的刚性部分通过平垫片18和膨胀螺栓19与铰链支撑架20刚性连接，其柔性变形部分加工有规则沟槽结构，该沟槽结构可确保拉伸封装式压电叠堆29承受压缩载荷，且可对拉伸封装式压电叠堆29输出的直线位移进行恒比率的线性放大。膨胀螺栓19可确保拉伸柔性铰链17的柔性变形部分不与铰链支撑架20发生摩擦。

所述的耐高温隔热棉16与多载荷柔性铰链10的刚性部分紧固连接，三个耐高温隔热棉16的相对位置为等边三角形拓扑形式，且均面向被测试件25安装，用于隔绝氮化硅加热片24对多载荷封装式压电叠堆9的直接热辐射，可削弱高温辐射对多载荷封装式压电叠堆9输出位移的影响。铰链支撑架20的侧壁上加工有规则的镂空栅格，用于拉伸封装式压电叠堆29的散热。

所述的多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29均为叠堆式压电陶瓷促动器，具有输出位移自检测功能，响应时间为亚毫秒级。结合多载荷柔性铰链10和拉伸柔性铰链17柔性变形机构的恒定位移放大比率，可分别获取四个压电驱动器输出端亚纳米分辨率的实时位移。因此，本发明无需配置其他元件即可对压电驱动器的输出位移进行检测。此外，本发明体积小巧，结构紧凑，亦可与三维数字散斑成像仪器兼容使用，对被测试件25在拉伸-弯曲复合载荷作用下的应变进行实时检测。

参见图1至图6，本发明涉及一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，测试装置的整体尺寸约为主体尺寸为153 mm × 146 mm × 135 mm，本发明中涉及到的元器件和具体型号为：多载荷封装式压电叠堆9的型号为 PST-1000/10/100 VS18，刚度为75 N/μm，谐振频率为27 kHz， 最大负载为5000 N，标称位移为55 μm。拉伸封装式压电叠堆29的型号为 PST-1000/35/7 VS45，刚度为4000 N/μm，谐振频率为37 kHz， 最大负载为70000 N，标称位移为12 μm。三向力传感器27为定制元件，x、y、z三个方向的测力行程分别为20 N，20N 和40 N。预紧楔形块7具有15°的楔形角，可实现多载荷封装式压电叠堆9的预紧自锁，最大预紧力可到462.4 N。拉伸柔性铰链17可实现对拉伸封装式压电叠堆29的位移放大比为1.8。氮化硅加热片23型号为ZK-DHG具备加热温度高最高可达1500℃和工作寿命长高于5000小时等优点。该加热片选用高性能氮化硅陶瓷为载体并内嵌进口钨丝为发热源，经模压成型、高温高压烧结和表面加工处理等工艺，既作为优质的绝缘体又作为良好的导热体。耐高温隔热棉16型号为KWHT具有低导热率和低热容的特点。预紧楔形块7、拉伸柔性铰链17、铰链支撑架20和拉伸封装式压电叠堆29均采用线切割方式加工，传感器法兰1、移动平台2、球面副固定支架3、球面副活动支架4和固定平台15的定位面和接触面均做抛光平坦化处理。其中，球面副固定支架3、球面副活动支架4球面凹槽的加工分为两个工序，分别为精密数控镗削加工和快速刀具伺服加工。球面副移动端6前端的球头采用超精密数控车削加工。

多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29均为叠堆式压电陶瓷促动器，具有输出位移自检测功能，在测试之前，采用LK-G100型激光测微仪测量行程为1mm，分辨率为0.01μm对连续驱动电压下柔性铰链输出端的实际位移进行检测，并与叠堆式压电陶瓷促动器输出模拟电压信号对应的位移进行对比。经测试，当给定峰值电压时，多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29的输出位移分别为53μm和12.6μm，加载分辨率优于20nm。本发明可采用数字散斑技术对被测试件25的三维应变进行实时检测。测试中采用的三维数字散斑动态应变测量分析系统是一种光学非接触式测量系统，采用数字图像相关方法DICDigital Image Correlation，结合双目立体视觉技术，采用两个高速摄像机，实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，可计算出全场应变。具体测试之前，被测试件25需要做表面喷涂处理，三维数字散斑的应变测试精度取决于表面喷涂颗粒的直径尺寸。测试过程中，给定多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29的驱动电压幅值上限为140V，驱动频率上限为150Hz，施加的驱动电压信号为恒定频率或扫频正弦波，以避免方波或锯齿波在换向过程中引起的惯性冲击。在进行疲劳测试之前，可采用线切割加工出被测试件25的外轮廓并制备出具有应力薄弱区域的微缺陷，亦可采用压入测试等方法在被测试件25表面试制出具有特定形貌的微缺陷。在具体的测试过程中，首先将多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29的两组输入电极对接放电，以避免叠堆内电荷积累对其输出位移的削弱。测试过程中Art USB-2817多路数据采集卡对三向力传感器27输出的模拟电压信号进行精密采集。

本发明的复合应力下微构件高温疲劳性能测试方法，首先将被测试件25的夹持部分安装至下夹具体23和上夹具体26的楔形凹槽中，以确保初拉伸测试的初始对中性。之后打开流体介质控制阀，在外层水冷管22中通低温冷却水，向四组氮化硅加热片24施加最高幅值为220V的交变电压，当向四个氮化硅加热片24施加不同幅值的交流电压时，试件25的受热环境实为具有可控温度梯度的服役温度场，因氮化硅加热片24的升温即快，构建的温度场可在半分钟内达到温度稳态。在完成试件装夹和温度施加后，由任意波形发生器给定特定的频率和波形信号，通过功率放大器，将输出的电压信号作用于多载荷封装式压电叠堆9和拉伸封装式压电叠堆29两组电极上。拉伸压电驱动器可为试件25提供较大运动行程的单轴拉伸载荷的预加载，试验中可向拉伸封装式压电叠堆29施加120V的直流电压。根据被测试件25实际工况下的受载形式，可对三个多载荷封装式压电叠堆9施加不同幅值的交变正弦电压，但施加电压的频率需一致，使其输出不同幅值的交变位移。如可向其中一个多载荷封装式压电叠堆9施加幅值为50V、频率为100Hz的交变电压，向对侧另两个多载荷封装式压电叠堆9施加幅值为100V、频率为100Hz的交变电压，即可实现同频拉伸-弯曲复合载荷疲劳测试。

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)

1.一种复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：包括压电式三自由度加载单元、高温加载及水冷单元、压电式拉伸加载单元、检测单元及支撑单元，其中压电式三自由度加载单元中的多载荷柔性铰链（10）与支撑单元中的转动副（11）为一体，球面副移动端（6）与支撑单元中的球面副固定支架（3）以及球面副活动支架（4）的球形凹面保持球面接触；高温加载及水冷单元中的氮化硅加热片（24）嵌入式安装于压电式拉伸加载单元中的下夹具体（23）和上夹具体（26）的矩形卡槽中，压电式拉伸加载单元中的铰链支撑架（20）通过螺纹连接方式与支撑单元中的固定平台（15）刚性连接；检测单元为三向力传感器（27），其分别通过螺纹连接方式与支撑单元中的传感器法兰（1）以及压电式拉伸加载单元中的上夹具体（26）刚性连接；

所述压电式三自由度加载单元包括三个球面副移动端（6）和三个多载荷压电驱动器，每个多载荷压电驱动器由预紧楔形块（7）、预紧螺钉（8）、多载荷封装式压电叠堆（9）和多载荷柔性铰链（10）组成，圆柱形多载荷封装式压电叠堆（9）具有输出位移自检测功能；

所述高温加载及水冷单元包括外层水冷管（22）、氮化硅加热片（24）、水冷板（30）、隔热板（31）和导热板（32），其中水冷板（30）、隔热板（31）和导热板（32）固定安装在上夹具体（26）和下夹具体（23）内，氮化硅加热片（24）嵌入式安装在两夹具体的矩形卡槽中，对被测试件（25）进行均布高温加热；

所述压电式拉伸加载单元包括拉伸压电驱动器、耐高温隔热棉（16）、平垫片（18）、膨胀螺栓（19）、铰链支撑架（20）、下夹具法兰（21）、下夹具体（23）、试件（25）和上夹具体（26），其中拉伸压电驱动器由拉伸柔性铰链（17）和拉伸封装式压电叠堆（29）组成，拉伸压电驱动器、下夹具法兰（21）、下夹具体（23）和上夹具体（26）采用串联式安装方式，其安装轴线为竖直方向的几何对称轴线；

所述检测单元包括传感器法兰（1）、三向力传感器（27）和传感器法兰安装螺钉（28），移动平台（2）的倾覆运动通过三向力传感器（27）和上夹具体（26）传递至被测试件（25），三向力传感器（27）用于检测试件（25）所受的拉伸及弯曲载荷；

所述支撑单元包括球面副移动部分和转动副固定部分，其中球面副移动部分由移动平台（2）、球面副固定支架（3）、球面副活动支架（4）和球面副紧固螺钉（5）组成，转动副固定部分由圆锥滚子轴承（12）、转动副螺母（13）、转动轴（14）和固定平台（15）组成，通过球面副活动支架（4）、球面副紧固螺钉（5）和球面副移动端（6）组成的球面副实现移动平台（2）的三自由度运动。

2.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：所述的三个多载荷压电驱动器呈等边三角形拓扑安装形式，其输出的高频交变位移通过由球面副移动端（6）、球面副固定支架（3）以及球面副活动支架（4）组成的球面副传递至移动平台（2），基于多模式的时序驱动电压，三个多载荷封装式压电叠堆（9）实现多样的轴向伸长运动的组合形式，即驱动移动平台（2）实现三自由度高频交变运动；进而，被测微尺度试件（25）实现不同模式的高频拉伸-弯曲复合受载形式。

3.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：所述的氮化硅加热片（24）具有不同的温度测量行程，其两两对称安装于上夹具体（26）和下夹具体（23）的矩形卡槽中，氮化硅加热片（24）根据测试温度的需求进行插拔更换，其产生的热量经上夹具体（26）和下夹具体（23）传导至试件（25）上；当向四个氮化硅加热片（24）施加不同幅值的交流电压时，试件（25）的受热环境实为具有可控温度梯度的服役温度场；隔热板（31）和导热板（32）均固定安装在上夹具体（26）和下夹具体（23）中，其材料分别为耐高温隔热棉和紫铜；外层水冷管（22）中的循环水介质用于隔热板（31）的实时降温，导热板（32）用于将氮化硅加热片（24）产生的热量传递至被测试件（25）。

4.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：所述的拉伸柔性铰链（17）的刚性部分通过平垫片（18）和膨胀螺栓（19）与铰链支撑架（20）刚性连接，其柔性变形部分加工有规则沟槽结构，该沟槽结构确保拉伸封装式压电叠堆（29）承受压缩载荷，且对拉伸封装式压电叠堆（29）输出的直线位移进行恒比率的线性放大；膨胀螺栓（19）确保拉伸柔性铰链（17）的柔性变形部分不与铰链支撑架（20）发生摩擦。

5.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：所述的耐高温隔热棉（16）与多载荷柔性铰链（10）的刚性部分紧固连接，三个耐高温隔热棉（16）的相对位置为等边三角形拓扑形式，且均面向被测试件（25）安装，用于隔绝氮化硅加热片（24）对多载荷封装式压电叠堆（9）的直接热辐射，削弱高温辐射对多载荷封装式压电叠堆（9）输出位移的影响；铰链支撑架（20）的侧壁上加工有规则的镂空栅格，用于拉伸封装式压电叠堆（29）的散热。

6.根据权利要求1所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：所述的多载荷封装式压电叠堆（9）和拉伸封装式压电叠堆（29）均为叠堆式压电陶瓷促动器，具有输出位移自检测功能，响应时间为亚毫秒级；结合多载荷柔性铰链（10）和拉伸柔性铰链（17）柔性变形机构的恒定位移放大比率，分别获取四个压电驱动器输出端亚纳米分辨率的实时位移。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的复合应力下微构件高温疲劳性能测试装置，其特征在于：测试方法如下：

首先将被测试件（25）的夹持部分安装至下夹具体（23）和上夹具体（26）的楔形凹槽中，以确保初拉伸测试的初始对中性；之后打开流体介质控制阀，在外层水冷管（22）中通低温冷却水，向四组氮化硅加热片（24）施加最高幅值为220V的交变电压，当向四个氮化硅加热片（24）施加不同幅值的交流电压时，试件（25）的受热环境实为具有可控温度梯度的服役温度场，因氮化硅加热片（24）的升温快，构建的温度场在半分钟内达到温度稳态；在完成试件装夹和温度施加后，由任意波形发生器给定特定的频率和波形信号，通过功率放大器，将输出的电压信号作用于多载荷封装式压电叠堆（9）和拉伸封装式压电叠堆（29）两组电极上；拉伸压电驱动器为试件（25）提供单轴拉伸载荷的预加载，试验中向拉伸封装式压电叠堆（29）施加120V的直流电压；根据被测试件（25）实际工况下的受载形式，对三个多载荷封装式压电叠堆（9）施加不同幅值的交变正弦电压，但施加电压的频率需一致，使其输出不同幅值的交变位移。