CN104865138B - 测量试件的力学性能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量试件的力学性能的装置，包括：基座；第一和第二支撑构件，连接至基座并且沿横向间隔开；第一支撑构件包括：第一摆杆，经由第一摆杆转轴可转动地连接至基座，并且被约束成仅能够在垂直于第一摆杆转轴的转动平面内转动；第一夹具，用于在试件的第一夹持位置处夹持试件；第一夹具经由与第一摆杆转轴平行的第一夹具转轴可转动地连接至第一摆杆，被约束成仅能够在与转动平面平行或共面的平面内转动；第二支撑构件与第一支撑构件结构相同。该装置可以保证试件在受撞击过程中与固定装置的两个支撑点不会发生位移，测量过程更稳定，更精确，也更接近试件在实际中变形速率和真实受力情况，保证了整个测量系统状态的稳定性。

Description

测量试件的力学性能的装置

技术领域

本发明涉及力学性能测量设备技术领域，特别是涉及一种测量试件的力学性能的装置。

背景技术

在一些机械零件、工程结构的专业试验室中常用到三点弯曲试验测试设备，该设备具有安装与调试方便、操作简单以及试验数据精度高等优点，能够大幅度地提高试验的准确性和可靠性。在三点弯曲测试中，试验装置与测试方法是获得试件准确测量数据的一个重要保证。

目前，针对三点弯曲的力学测试方法与装置很多，但是往往不同形状的试件，或是同一形状不同尺寸的试件，就需要不同的试验装置。并且对于不同的测试也没有根据试件的特点提出相应的测试方法，因此给三点弯曲试验测试带来了诸多的不便，降低了其测试结果的准确性与可靠性。

三点弯曲试验是检测试件抗弯能力的重要测试方法，其在静态和动态下的强度存在着较大差异，故试件的三点弯曲试验也可分为静态测试和动态测试。很多结构梁(如汽车的前横梁、车门防撞梁等)更侧重高应变率和大变形下的动态强度考虑，但实际测试中，静态、平直的结构件三点弯曲试验进行的较多，而动态且非平直的结构梁(如汽车前横梁)试验几乎难以进行。究其原因，主要存在以下问题：由于试件是自由地垂直放置在两个固定的支撑座上，这样在压头或撞击头撞击试件时，试件与支撑座的支撑点的状态不稳定。特别是当动态冲击时，在试件变形弯曲的过程中，试件与支撑点之间会发生相对移动，使得试件在支撑座上的位置跑偏，并且不易察觉，这与实际碰撞过程中试件的支撑点相对于试件不变的情况不符合。对于非平直的试件，更难以保证试件与测量装置之间放置状态的稳定性，也难以保证试验过程中特别是动态撞击中的稳定性，因而试验精度也无法保证。由于试件与支撑点之间容易发生相对移动，稳定性差，会导致试件的受力情况发生较大的改变。因此，目前动态的三点弯曲试验也仅针对较平直的试件进行。

另外，由于目前的试件一般是依靠重力自由地垂直放置在支撑座上，其加载为垂直方向，对于动态试验来说，只能使用落锤冲击设备来对试件进行撞击，由于受到落锤的高度的限制，落锤的速度也受到很大限制，一般不超过10m/s。在实际的撞击中，汽车前横梁通常要考虑14m/s或18m/s的撞击速度，因此目前的动态测试还不能够满足试件在实际当中受到的较高变形速度的需求。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种测量试件的力学性能的装置，解决了现有技术中采用三点弯曲法测量试件过程中试件与支撑点之间容易发生相对移动以至于稳定性较差，导致试件的受力情况与实际不符的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种测量试件的力学性能的装置，用于基于三点弯曲法测量长形试件的抗弯强度，该装置包括：基座；以及第一支撑构件和第二支撑构件，第一支撑构件和第二支撑构件连接至基座并且沿横向间隔开；其中，第一支撑构件包括：第一摆杆，第一摆杆经由第一摆杆转轴可转动地连接至基座，并且被约束成仅能够在垂直于第一摆杆转轴的转动平面内转动；和第一夹具，用于在试件的第一夹持位置处夹持试件；第一夹具经由与第一摆杆转轴平行的第一夹具转轴可转动地连接至第一摆杆，并且被约束成仅能够在与转动平面平行或共面的平面内转动；其中，第二支撑构件包括：第二摆杆，第二摆杆经由与第一摆杆转轴平行的第二摆杆转轴可转动地连接至基座，并且被约束成仅能够在与转动平面平行或共面的平面内转动；第二夹具，用于在沿试件的长度方向远离第一夹持位置的第二夹持位置处夹持试件；第二夹具经由与第一摆杆转轴平行的第二夹具转轴可转动地连接至第二摆杆，并且被约束成在与转动平面平行或共面的平面内转动；其中，该装置还包括转动约束构件，用于将第一摆杆和第二摆杆约束成仅能够沿相反的方向转动。

进一步地，第一摆杆、第一夹具、第二摆杆和第二夹具设置成在第一摆杆的转动平面内转动。

进一步地，第一摆杆和第二摆杆为长形，沿第一摆杆的长度方向，在第一摆杆转轴的两侧，第一摆杆分别具有第一上连接位置和第一下连接位置；沿第二摆杆的长度方向，在第二摆杆转轴的两侧，第二摆杆分别具有第二上连接位置和第二下连接位置；转动约束构件包括：第一连接件和/或第二连接件。第一连接件在第一摆杆的第一上连接位置处与第二摆杆的第二下连接位置处分别与第一摆杆和第二摆杆可转动地连接。第二连接件在第二摆杆的第二上连接位置与第一摆杆的第一下连接位置处分别与第二摆杆和第一摆杆可转动地连接。第二连接件与第一连接件的延伸方向形成交叉。

进一步地，第一连接件和第二连接件由柔性拉索形成；或者，第一连接件和第二连接件由刚性拉杆形成。

进一步地，基座具有一基面以及从基面向上延伸的第一轴座和第二轴座；其中，第一轴座构造成形成或接纳第一摆杆转轴，并且具有相面对的第一前壁和第一后壁，以及在第一前壁和第一后壁之间限定的第一转动空间，第一摆杆转轴在第一前壁与第一后壁之间延伸，第一摆杆的一部分能够在第一转动空间绕第一摆杆转轴转动并分别与第一前壁与第一后壁成间隙配合；其中，第二轴座形成有或用于接纳第二摆杆转轴，并且具有相面对的第二前壁和第二后壁，以及在第二前壁和第二后壁之间限定的第二转动空间，第二摆杆转轴在第二前壁与第二后壁之间延伸，第二摆杆的一部分能够在第二转动空间绕第二摆杆转轴转动并分别与第二前壁与第二后壁成间隙配合。

进一步地，在第一摆杆转轴和/或第二摆杆转轴处设有角度传感器，用于对应地测量第一摆杆和/或第二摆杆的转动角度。

进一步地，在第一摆杆的上端部处形成有第一夹具安装座，第一夹具安装座形成有或用于接纳第一夹具转轴；在第二摆杆的上端部处形成有第二夹具安装座，第二夹具安装座形成有或用于接纳第二夹具转轴。

进一步地，第一支撑构件和第二支撑构件具有相同的形状和尺寸。

应用本发明的技术方案，在利用三点弯曲法测量长形试件的抗弯强度时，本发明所提供的力学性能的装置可以将试件的两端完全固定，在试件受力撞击弯曲时，试件的固定装置在受到撞击的过程中会随着试件的伸长和收缩向左右对称自由摆动，但是试件与固定装置的两个支撑点不会发生位移，解决了现有的测量装置在撞击头接触前的状态不稳定以及接触过程中特别是动态冲击时试件在固定装置上的支撑点位置容易跑偏且不易察觉的问题，与实际情况相符。该装置在测量过程中更稳定，更精确，也更接近待测的试件在实际中变形速率和真实受力情况，保证了整个测量系统状态的稳定性。该装置不仅适用于静态和动态的三点弯曲测量，并且非常适合平直和非平直的试件，具有较强的适用性。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的试件未发生变形时的力学性能装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的试件向两端伸长发生变形后的力学性能装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的带有摆杆转轴的摆杆与轴座的连接结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的夹具夹持试件后的结构示意图；以及

图5是根据本发明一个实施例的试件所发生的位移与摆杆旋转的角度之间关系的示意图。

具体实施方式

如图1所示，该装置可以包括具有基面11的基座10。该基座10还可以具有从基面11向上延伸形成的第一轴座12和第二轴座13。第一轴座12和第二轴座12可以沿着基面11横向间隔开。

如图1所示，该装置还可以包括长形的第一摆杆21和第二摆杆31。第一摆杆21和第二摆杆31在各自的上端部处分别安装有用于夹持待测试的长形试件40的第一夹具23和第二夹具33。第一夹具23和第二夹具33分别通过垂直于纸面的第一夹具转轴24和第二夹具转轴34可转动地连接至对应的第一摆杆21和第二摆杆31。这样就使得第一夹具23和第二夹具33能够且仅能够在平行于纸面的转动平面内转动。第一摆杆21和第二摆杆31在其靠近基座10的下端部处分别通过垂直于纸面的第一摆杆转轴22和第二摆杆转轴32可转动地连接到相应的第一轴座12和第二轴座13上。这样就使得第一摆杆21和第二摆杆31能够且仅能够在平行于纸面的转动平面内转动。第一夹具23、第二夹具33、第一摆杆21和第二摆杆31的转动平面可以相互平行，并且最好是共面。

第一摆杆21与位于其上的第一夹具23形成第一支撑构件，第二摆杆31与位于其上的第二夹具33形成第二支撑构件。与第一支撑构件和第二支撑构件所连接的第一轴座12和第二轴座13的位置相对应，第一支撑构件和第二支撑构件也沿着基座10的基面11横向间隔开，并且这两者可以具有相同的形状和尺寸。第一和第二轴座12和13也可以具有相同的形状和尺寸，这样使得整个装置关于其中轴线X成轴对称结构。这样，在工作过程中，第二夹具安装座37形成有或用于接纳第二夹具转轴34。第一夹具23和第二夹具33可以在试件40的相间隔的第一夹持位置41和第二夹持位置42处夹持固定该试件40。

如图3的侧视图所示，基座10的第一轴座12可以包括相互面对的第一前壁121和第一后壁122，并在第一前壁121和第一后壁122之间限定了第一转动空间。第一摆杆转轴22在第一前壁121与第一后壁122之间延伸。第一摆杆21位于第一前壁121与第一后壁122之间，并且其一部分能够在第一转动空间内绕第一摆杆转轴22转动。第一摆杆21与第一前壁121和第一后壁122可以成间隙配合，这样，在工作过程中，当第一摆杆21承受大的冲击力而倾向于偏转出其转动平面时，第一前壁121或第一后壁122可以向其施加反向的作用力，以将第一摆杆21保持在其转动平面内。第一摆杆转轴22可以形成在第一摆杆21上由第一轴座12可转动地接纳，也可以形成在第一轴座12上并由第一摆杆21可转动地接纳。第二轴座13的结构可以与第一轴座12的结构完全相同。

如上所述，第一前壁121和第一后壁122可以分立设置的。在本发明的其它未示出的实施例中，本领域技术人员不难理解，构成第一轴座12的第一前壁121和第一后壁122也可以是呈“U”型结构且一体成型。

在图3中还示出了形成在第一摆杆21的上端部处的第一夹具安装座27，用于安装第一夹具23。如图3所示，类似于第一轴座12，该第一夹具安装座27也可以由两个相对的壁形成。图4为第一夹具23结构示意图，并示意性地画出了所夹持的试件40。第一夹具转轴24形成在第一夹具23处，并由图3中所示的第一夹具安装座27可转动地接纳。在另一未示出的实施例中，第一夹具转轴24也可以形成在第一夹具安装座27处，并由第一夹具23可转动地接纳。如图1所示，在第二摆杆31的上端部也形成有第二夹具安装座37，其可以与图3所示的第一夹具安装座27具有相同的结构。

在试件的测量过程中，当试件特别是图1中所示的自身为弯曲的长形试件40受到撞击头的冲击而在横向伸长或收缩时，其会带动夹具并继而带动摆杆在竖向的转动平面内转动或者说摆动。

为了保证试件40在受到撞击时能够确保第一摆杆21和第二摆杆31反向摆动，在本发明的一个优选实施例中，在第一摆杆21和第二摆杆31之间还设置有转动约束构件50。如图1-2所示，该转动约束件50具有交叉的第一连接件51和第二连接件52。在第一摆杆21的长度方向上分别具有第一上连接位置25和第一下连接位置26，两者位于第一摆杆转轴22的两侧。同样，沿长形的第二摆杆31的长度方向分别具有第二上连接位置35和第二下连接位置36，两者位于第二摆杆转轴32的两侧。第一连接件51可以连接在第一摆杆21的第一上连接位置25处与第二摆杆31的第二下连接位置36处。第二连接件52可以连接在第二摆杆31的第二上连接位置35处与第一摆杆21的第一下连接位置26处。第一连接件51和第二连接件52可以由柔性拉索形成，也可以由刚性拉杆形成。当然，也可以在第一摆杆21和第二摆杆31之间仅设置一个刚性拉杆。图2示为试件被撞击时第一摆杆21和第二摆杆31分别反向延伸的结构示意图。

下面详细介绍测量过程：

按照图1所示，将试件40的两端分别固定在两个试件夹具上。一般采用直径为300～305mm的刚性圆柱形压头或撞击头，可以根据特殊需求来选取所需的规格。静态试验时，压头靠静态力学试验机带动以一定的速度缓慢地对试件的中部进行加载施力。当达到一定压溃距离或力值时停止，也可手动停止。动态试验时，先假设撞击能量(根据仿真或其他方法预估试件变形到一定程度时吸收的能量值，或根据其他需求自行设定)，再根据试件实际中受到的撞击速度或其他需求设定冲击设备的撞击速度，根据动能公式E＝1/2mv²，求出撞击头的质量m。对撞击头进行配重，在动态冲击设备上撞击头被加速到设定的撞击速度后依靠惯性自由地撞击试件中部。

静态和动态试验最终都能够得到力对位移的曲线。要获得力对位移曲线，首先获得力对时间的曲线和位移对时间的曲线。其中，力对时间的曲线可以通过两种方式获得：对于静态试验可以在力学试验机上直接读取；对于动态试验，可以通过在撞击头上安装力传感器来直接获取，也可以在撞击头上安装加速度传感器，获得加速度处理后乘以撞击头的质量来得到。位移对时间的曲线通过计算得到，如试件在某时刻的变形量为从变形初始到某时刻压头或撞击头的位移量减去两个支撑点沿加载方向上的后退位移量，此后退位移量通过对两个摆杆的角度测量，再通过几何关系计算得出。实际使用时可在第一摆杆转轴22和/或第二摆杆转轴32处设角度传感器，来实时记录摆杆相对于基面11所在平面的夹角，从而计算出第一摆杆和/或第二摆杆的转动角度。试件在某时刻的受力可通过在压头或撞击头或轴座上加装力传感器直接获得，也可通过布置在压头或撞击头上的加速度传感器乘以压头或撞击头的质量m得到。

获得力对时间的曲线和位移对时间的曲线后，将两者拟合为力对位移曲线。如图5所示，假设摆杆的长度(夹具转轴到摆杆转轴之间的长度)为K，初始摆杆角度(试验前的角度)为α1，初始摆杆投影长度(摆杆长度在压头或撞击头加载方向上的投影距离)为L1。试验过程中某时刻的摆杆角度为α2，摆杆投影长度为L2。则支撑点的后移量L＝L1-L2。假设压头或撞击头从初始时刻起的移动量为S(静态时直接在试验机上读取，动态时还可通过撞击头上加速度传感器两次积分得出)，则试件中心处在此时刻的变形量(相对左右两支撑点)D＝S-L＝S-(L1-L2)＝S-K(sinα1-sinα2)。将获得的力和位移对时间曲线(即上述的D)转化为力对位移曲线。以上也可通过编程用电脑自动完成数据处理和计算，直接输出力对位移曲线。

采用本发明所提供的测量装置用于三点弯曲法测量试件的力学性能时，不仅可以将试件和装置垂直放置，也可以将试件和装置水平放置，这样就解决了现有的力学测量装置中只能在竖直方向上依靠落锤的重力冲击试件，由于受到落锤的高度限制，落锤的速度受限导致撞击速度较低的问题。而本发明的测量装置在水平放置时能够提供足够高的撞击速度，其在水平放置进行动态试验时可选择的冲击设备为水平布置式，可以靠电机、压缩气、橡皮筋等作为动力，通过设置较高的加速能量以及较长的加速距离来达到想要的撞击速度(最大速度一般可达30m/s以上)，远可以满足实际撞击过程中汽车前横梁通常要考虑的撞击速度如14m/s或18m/s。采用本发明所提供的装置在动态测试能够满足试件在实际当中受到的较高变形速度的需求。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种测量试件的力学性能的装置，用于基于三点弯曲法测量长形试件的抗弯强度，所述装置包括：

基座(10)；和

第一支撑构件和第二支撑构件，所述第一支撑构件和第二支撑构件连接至所述基座(10)并且沿横向间隔开；其中，

所述第一支撑构件包括：

第一摆杆(21)，所述第一摆杆(21)经由第一摆杆转轴(22)可转动地连接至所述基座(10)，并且被约束成仅能够在垂直于所述第一摆杆转轴(22)的转动平面内转动；和

第一夹具(23)，用于在所述试件(40)的第一夹持位置(41)处夹持所述试件(40)；所述第一夹具(23)经由与所述第一摆杆转轴(22)平行的第一夹具转轴(24)可转动地连接至所述第一摆杆(21)，并且被约束成仅能够在与所述转动平面平行或共面的平面内转动；

其中，所述第二支撑构件包括：

第二摆杆(31)，所述第二摆杆(31)经由与所述第一摆杆转轴(22)平行的第二摆杆转轴(32)可转动地连接至所述基座(10)，并且被约束成仅能够在与所述转动平面平行或共面的平面内转动；

第二夹具(33)，用于在沿所述试件(40)的长度方向远离所述第一夹持位置处(41)的第二夹持位置处(42)夹持所述试件(40)；

所述第二夹具(33)经由与所述第一摆杆转轴(22)平行的第二夹具转轴(34)可转动地连接至所述第二摆杆(31)，并且被约束成在与所述转动平面平行或共面的平面内转动；

其中，所述装置还包括转动约束构件(50)，用于将所述第一摆杆(21)和所述第二摆杆(31)约束成仅能够沿相反的方向转动,所述转动约束构件(50)包括：第一连接件(51)，所述第一连接件(51)在所述第一摆杆(21)的第一上连接位置处(25)与所述第二摆杆(31)的第二下连接位置处(36)分别与所述第一摆杆(21)和所述第二摆杆(31)可转动地连接；和/或

第二连接件(52)，所述第二连接件(52)在所述第二摆杆(31)的第二上连接位置(35)处与所述第一摆杆(21)的第一下连接位置(26)处分别与所述第二摆杆(31)和所述第一摆杆(21)可转动地连接，以使得所述第二连接件(52)与所述第一连接件(51)的延伸方向形成交叉。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一摆杆(21)、第一夹具(23)、第二摆杆(31)和第二夹具(33)设置成在所述第一摆杆(21)的所述转动平面内转动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一摆杆(21)和第二摆杆(31)为长形，沿所述第一摆杆(21)的长度方向，在所述第一摆杆转轴(22)的两侧，所述第一摆杆(21)分别具有第一上连接位置(25)和第一下连接位置(26)；沿所述第二摆杆(31)的长度方向，在所述第二摆杆转轴(32)的两侧，所述第二摆杆(31)分别具有第二上连接位置(35)和第二下连接位置(36)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一连接件(51)和所述第二连接件(52)由柔性拉索形成；

或者，所述第一连接件(51)和所述第二连接件(52)由刚性拉杆形成。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基座(10)具有一基面(11)以及从所述基面(11)向上延伸的第一轴座(12)和第二轴座(13)；

其中，所述第一轴座(12)构造成形成或接纳所述第一摆杆转轴(22)，并且具有相面对的第一前壁(121)和第一后壁(122)，以及在所述第一前壁(121)和第一后壁(122)之间限定的第一转动空间，所述第一摆杆转轴(22)在所述第一前壁(121)与所述第一后壁(122)之间延伸，所述第一摆杆(21)的一部分能够在所述第一转动空间绕所述第一摆杆转轴(22)转动并分别与所述第一前壁(121)与所述第一后壁(122)成间隙配合；

其中，所述第二轴座(13)形成有或用于接纳所述第二摆杆转轴(32)，并且具有相面对的第二前壁(131)和第二后壁(132)，以及在所述第二前壁(131)和第二后壁(132)之间限定的第二转动空间，所述第二摆杆转轴(32)在所述第二前壁(131)与所述第二后壁(132)之间延伸，所述第二摆杆(31)的一部分能够在所述第二转动空间绕所述第二摆杆转轴(32)转动并分别与所述第二前壁(131)与所述第二后壁(132)成间隙配合。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述第一摆杆转轴(22)和/或所述第二摆杆转轴(32)处设有角度传感器，用于对应地测量所述第一摆杆和/或所述第二摆杆的转动角度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述第一摆杆(21)的上端部处形成有第一夹具安装座(27)，所述第一夹具安装座(27)形成有或用于接纳所述第一夹具转轴(24)；在所述第二摆杆(31)的上端部处形成有第二夹具安装座(37)，所述第二夹具安装座(37)形成有或用于接纳所述第二夹具转轴(34)。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一支撑构件和第二支撑构件具有相同的形状和尺寸。