CN106680096A - 多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其包括上固定加载板、下固定加载板、支撑柱、加载支撑板、粘接试件、剪切试件Ⅰ、剪切试件Ⅱ、上U形连接件Ⅰ、下U形连接件Ⅰ、上U形连接件Ⅱ、下U形连接件Ⅱ、U形连接件Ⅲ、U形连接件Ⅳ、U形连接件Ⅴ、U形连接件Ⅵ、杠杆Ⅰ、杠杆Ⅱ、杠杆Ⅲ、杠杆Ⅳ、动力装置Ⅰ、动力装置Ⅱ、动滑轮Ⅰ、定滑轮Ⅱ、定滑轮Ⅲ、定滑轮Ⅳ等。本发明通过动力装置Ⅰ和多级杠杆对多个粘接试件施加相同的交变或恒定拉伸载荷，通过动力装置Ⅱ、多级杠杆、滑轮组、钢丝绳对多个粘接试件施加相同的交变或恒定剪切载荷。本装置能够模拟受复杂应力状态下粘接结构的受力情况，进行疲劳试验，研究其疲劳及老化特性。

Description

多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置
技术领域
本发明涉及一种多试件粘接接头疲劳试验装置，能对多个粘接试件施加恒定或交变的拉伸载荷，同时能施加恒定或交变的剪切载荷，能够有效模拟粘接结构在复杂应力状态下的受力机理和疲劳特性。
背景资料
目前，高速动车技术高速发展，车用胶接剂在高速动车组车窗玻璃上应用广泛。车窗粘接结构在一定使用寿命后，车窗胶接剂的强度还能否达到使用要求与乘客的生命安全直接相关，因此非常有必要对车窗胶接剂的疲劳老化特性进行研究，疲劳老化特性能够通过疲劳试验进行验证分析。
车窗胶接剂受力工况比较复杂，高速动车组受车体自重和运行工况的影响，车体自身结构会发生变形，导致车窗胶接剂受平行于窗体的剪切载荷作用。当高速动车组在高速行驶时高速气流导致车窗受负压，车窗胶接剂受垂直于窗体的拉伸载荷作用；而当车体静止时车窗内外气压平衡，车窗胶接剂不再受垂直于窗体的拉伸载荷。由于车窗正负气压的交替变化，车窗胶接剂受垂直于窗体的拉伸交变载荷作用。因此动车在运行的整个过程中车窗胶接剂既受平行于窗体的剪切交变载荷，又受垂直于窗体的拉伸交变载荷。
在研究车窗胶接剂受力作用时，由于无法对整个动车车窗粘接结构进行受力分析，只能通过粘接试件来模拟车窗胶接剂受力。试件的拉伸和剪切交变载荷疲劳试验能通过现有疲劳装置实现，但有明显的缺点和不足：现有疲劳试验装置虽然能对粘接试件施加剪切方向和拉伸方向的疲劳载荷，只能对单个试件进行加载，而试验需要对大量试件进行疲劳试验，当对多个试件进行试验时周期过长，不仅影响实验进程，且消耗人力和物力，不利于科学研究和节约能源。
要想模拟动车车窗粘接结构的疲劳受力情况，需要对粘接试件同时施加剪切方向和拉伸方向的疲劳载荷，实现对粘接试件既施加拉伸载荷，同时施加相同或不同工作频率和振幅的剪切载荷。为了更好的模拟高速动车组车窗胶接剂的真实受力情况，有必要设计一种疲劳试验装置，能对多个粘接试件施加拉伸交变载荷，同时又能施加剪切交变载荷。通过疲劳试验装置对粘接试件进行试验，建立粘接试件与车窗胶接剂实际受力情况近似等效的试验工况，方便后期对车窗胶接剂的疲劳和老化特性进行研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有粘接剂疲劳实验技术存在的不足，发明一种能对多个试件同时施加交变或恒定拉伸载荷和剪切载荷的多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，该装置具有结构紧凑、可靠性高、各试件载荷一致性好且节能稳定的特点。
本发明提出的技术方案：
一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，包括上固定加载板1、下固定加载板25、支撑柱26；
上固定加载板1和下固定加载板25对应平行放置，两个加载板之间固定连接多对支撑柱26，支撑柱26相对设立在两个侧面；加载支撑板10固定于上固定加载板1下面，并位于每对支撑柱26中间，每组加载支撑板10、上U形连接件Ⅰ12、粘接试件18，下U形连接件Ⅰ19依次铰接，相邻两组的下U形连接件Ⅰ19分别与杠杆Ⅰ20两端铰接，U形连接件Ⅴ21上端铰接于杠杆Ⅰ20中部，下端铰接于杠杆Ⅱ22端部，杠杆Ⅱ22另一端部对应铰接同样的另一组试件；U形连接件Ⅵ23上端铰接杠杆Ⅱ22中部，下端铰接动力装置Ⅰ24，动力装置Ⅰ24固定在下固定加载板25上；动力装置Ⅰ24作用力通过U形连接件和杠杆传递到粘接试件，施加粘接试件拉伸疲劳载荷；
剪切试件Ⅰ17固定在粘接试件18的下铝合金试棒，剪切试件Ⅱ13固定于粘接试件18的上铝合金试棒，剪切试件Ⅰ17铰接于上U形连接件Ⅱ16，剪切试件Ⅱ13铰接于下U形连接件Ⅱ14；上U形连接件Ⅱ16、下U形连接件Ⅱ14位于同一轴线；
动力装置Ⅱ8固定到上固定加载板1，动力装置Ⅱ8的U形连接件Ⅲ7铰接杠杆Ⅲ6中部，杠杆Ⅲ6一端铰接U形连接件Ⅳ5上端，U形连接件Ⅳ5下端与杠杆Ⅳ4中部铰接，杠杆Ⅳ4两端固定连接动滑轮Ⅰ3，杠杆Ⅲ6另一端对应设置相同试件；
每个动滑轮Ⅰ3分别通过一组固定于同一垂直截面上的位于固定加载板1上的定滑轮Ⅱ9、定滑轮Ⅲ11以及固定于立柱26上的定滑轮Ⅳ15进行变向定位，并与上、下U形连接件Ⅱ16、14串联；动力装置Ⅱ8工作时，动滑轮Ⅰ3沿动力装置Ⅱ8作用杆轴线方向运动，带动钢丝绳2拉紧剪切试件Ⅰ、Ⅱ17、13，施加给粘接试件18剪切疲劳载荷；
所述的动力装置Ⅰ24和动力装置Ⅱ8能够以一定的振幅、周期、频率进行工作。上、下U形连接件Ⅰ的上销轴和下销轴轴线相互垂直，形成类万向节结构，防止粘接试件受弯矩和扭矩的作用。
所述动力装置Ⅰ24以一定的振幅、周期、频率进行工作，通过杠杆和U形连接件，施加到若干个粘接试件18相同大小和方向的交变或恒定拉伸载荷，若对N个粘接试件施加拉伸载荷P，则动力装置Ⅰ出力为N×P。
所述剪切试件Ⅰ17和剪切试件Ⅱ13的销孔轴线与粘接试件粘接胶层的中间面要共面，保证剪切试件施加给粘接试件剪切载荷，钢丝绳2的轴向垂直于粘接试件的侧面，减小剪切载荷侧向分力的作用。
钢丝绳前后端连接上、下U形连接件Ⅱ，上、下U形连接件Ⅱ到定滑轮Ⅳ15之间的钢丝绳长度不小于L(L的长度选取要保证钢丝绳偏转角度所产生的分力对剪切载荷的影响可忽略不计)，，当粘接试件受拉伸交变载荷时，粘接试件胶层变形会导致钢丝绳轴向不完全垂直于粘接试件的侧面，当钢丝绳长度取L时能减小侧向分力对粘接试件剪切载荷的影响。。动力装置Ⅱ8能够以一定的振幅、周期、频率进行工作，所述粘接试件所受的剪切载荷等于动滑轮Ⅰ3作用力的1/2，若对N个粘接试件施加剪切载荷Q，则动力装置Ⅱ出力为2×N×Q。
通过疲劳试验装置，可利用多级杠杆结构对多个粘接试件进行加载，对2个试件进行加载时，需要1级杠杆；对4个试件进行加载时，需要2级杠杆；对8个试件进行加载时，需要3级杠杆；对N个试件进行加载时，假设需要M级杠杆，2M＝N，则需要M＝log2(N)级杠杆。
有益效果：
1、本发明多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，可对多个粘接试件同时施加交变或恒定的拉伸载荷和剪切载荷，能够有效模拟粘接结构在复杂应力状态下的受力机理和疲劳老化特性，保证每个试件所受的载荷相等，极大的缩短实验周期。
2、本发明多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，能够对粘接试件进行恒定拉伸载荷和恒定剪切载荷的老化实验，还可以进行交变拉伸载荷和恒定剪切载荷的疲劳老化实验，也可以进行恒定拉伸载荷和交变剪切载荷的疲劳老化实验，同时可以进行交变拉伸载荷和交变剪切载荷的疲劳实验。能够模拟受复杂应力状态下粘接结构的受力情况，对胶层的疲劳和老化特性进行研究。
3、本发明多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，通过多级杠杆结构对多个粘接试件施加拉伸载荷，各试件受力大小相等、方向相同。通过多级杠杆和滑轮结构对粘接试件施加剪切载荷，各粘接试件受剪切载荷大小相等、方向相同。动力装置Ⅰ对多个粘接试件同时施加交变或恒定的拉伸载荷，动力装置Ⅱ对多个粘接试件同时施加交变或恒定的剪切载荷。实验减少了动力装置总出力功率，既降低了设备成本又收到了节能的效果，保证了实验数据的可靠性。
4、本发明多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，剪切试件分别固定在粘接试件的上、下铝合金试棒，两个剪切试件销孔的轴线与粘接试件胶层中间面共面，减小剪切试件的侧向分力对粘接试件剪切载荷的影响。
5、本发明多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，控制系统可以提供基本的试验循环波形函数，也可以根据实验要求，由用户对动力装置Ⅰ和动力装置Ⅱ设置特定的交变载荷循环的载荷谱及循环次数，从而更真实的反应结构的实际工作环境，使粘接试件的疲劳老化实验结果更符合实际粘接结构的疲劳和老化情况。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为本发明多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置结构示意图；
图2为本发明通过动力装置Ⅰ24和杠杆结构对多个粘接试件18施加拉伸载荷的结构示意图；
图3为本发明粘接试件18、剪切试件Ⅰ17、剪切试件Ⅱ13、上U形连接件Ⅰ12、下U形连接件Ⅰ19、上U形连接件Ⅱ16、下U形连接件Ⅱ14的结构示意图；
图4为本发明粘接试件18、剪切试件Ⅰ17、剪切试件Ⅱ13的结构示意图；
图5为本发明通过动滑轮3和定滑轮Ⅱ9对钢丝绳2施加力的结构示意图；
图6为本发明加载支撑板10的结构示意图。
其中：1、上固定加载板 2、钢丝绳 3、动滑轮Ⅰ 4、杠杆Ⅳ 5、U形连接件Ⅳ 6、杠杆Ⅲ 7、U形连接件Ⅲ 8、动力装置Ⅱ 9、定滑轮Ⅱ 10、加载支撑板 11、定滑轮Ⅲ 12、上U形连接件Ⅰ 13、剪切试件Ⅱ 14、下U形连接件Ⅱ 15、定滑轮Ⅳ 16、上U形连接件Ⅱ 17、剪切试件Ⅰ 18、粘接试件 19、下U形连接件Ⅰ 20、杠杆Ⅰ 21、U形连接件Ⅴ 22、杠杆Ⅱ 23、U形连接件Ⅵ 24、动力装置Ⅰ 25、下固定加载板 26、支撑柱
具体实施方法
本发明实例假定本发明能够同时对4个粘接试件加载相同大小和方向的拉伸载荷和剪切载荷。
本装置可对粘接试件施加交变或恒定的拉伸载荷和剪切载荷，能够模拟受复杂应力状态下粘接结构的受力情况，进行疲劳试验，研究其疲劳及老化特性。
所述的多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，如图1所示，其组成包括：上固定加载板1、下固定加载板25、支撑柱26、加载支撑板10、粘接试件18、剪切试件Ⅰ17、剪切试件Ⅱ13、上U形连接件Ⅰ12、下U形连接件Ⅰ19、上U形连接件Ⅱ16、下U形连接件Ⅱ14、U形连接件Ⅲ7、U形连接件Ⅳ5、U形连接件Ⅴ21、U形连接件Ⅵ23、杠杆Ⅰ20、杠杆Ⅱ22、杠杆Ⅲ6、杠杆Ⅳ4、动力装置Ⅰ24、动力装置Ⅱ8、动滑轮Ⅰ3、定滑轮Ⅱ9、定滑轮Ⅲ11、定滑轮Ⅳ15、钢丝绳2、销轴、螺钉、螺母。
上固定加载板1和下固定加载板25对应平行放置，两个加载板之间用螺母固定连接多对支撑柱26，支撑柱26相对设立在两个侧面；加载支撑板10上部有螺纹孔，侧面有销孔，加载支撑板10通过螺钉连接上固定加载板1，并位于每对支撑柱26中间，上U形连接件Ⅰ12，两端有凹槽和销孔，上销孔通过销轴铰接加载支撑板10，下销孔通过销轴铰接粘接试件18上端。粘接试件18由上铝合金试棒、粘接胶层、下铝合金试棒构成，上铝合金试棒和下铝合金试棒的上面各有一个销孔。下U形连接件Ⅰ19，两端有凹槽和销孔，上销孔通过销轴铰接粘接试件18下端，下销孔通过销轴铰接杠杆Ⅰ20一端。杠杆Ⅰ20一端。另一端连接同样的一组试件；上、下U形连接件Ⅰ的上销轴和下销轴轴线相互垂直，形成类万向节结构，防止粘接试件受弯矩和扭矩的作用。杠杆Ⅰ20中部通过销轴铰接U形连接件Ⅴ21上端，U形连接件Ⅴ21下端通过销轴铰接杠杆Ⅱ22一端，杠杆Ⅱ22中部与动力装置Ⅰ24上的U形连接件Ⅵ23铰接，动力装置Ⅰ24固定在下固定加载板25。杠杆Ⅱ22另一端部对应铰接同样的另一组试件；动力装置Ⅰ24作用力通过U形连接件和杠杆传递到粘接试件，施加粘接试件一定的拉伸疲劳载荷。若对N个粘接试件施加拉伸载荷P，则动力装置Ⅰ出力为N×P。
剪切试件Ⅰ17、剪切试件Ⅱ13形状为L形，上面各有一个销孔。剪切试件Ⅰ17通过螺钉固定在粘接试件18的下铝合金试棒，剪切试件Ⅱ13通过螺钉固定在粘接试件18的上铝合金试棒。剪切试件Ⅰ17和剪切试件Ⅱ13的销孔轴线与粘接试件18胶层中间面共面，减小剪切试件的侧向分力对粘接试件剪切载荷的影响。
动力装置Ⅱ8固定到上固定加载板1，动力装置Ⅱ8的U形连接件Ⅲ7通过销轴铰接杠杆Ⅲ6中间，杠杆Ⅲ6两端通过销轴铰接U形连接件Ⅳ5上端，U形连接件Ⅳ5下端通过销轴与杠杆Ⅳ4中间连接，杠杆Ⅳ4两端连接动滑轮Ⅰ3。
定滑轮Ⅳ15通过螺钉固定在支撑柱26，定滑轮Ⅱ9和定滑轮Ⅲ11通过螺钉固定在上固定加载板1。滑轮支座为U形结构，上端有销孔，底部有圆孔。滑轮支座的安装角度可以调节，以便在装配过程进行适度角度调整。滑轮上沟槽的宽度略大于钢丝绳2的直径，可防止钢丝绳在沟槽中侧向滑动和钢丝绳摩擦力过大，减小试件受力受摩擦力影响。钢丝绳2的轴向垂直于粘接试件的侧面，减小剪切载荷侧向分力的作用。
每个动滑轮Ⅰ3分别通过一组固定于同一垂直截面上的定滑轮Ⅱ9、定滑轮Ⅲ11以及定滑轮Ⅳ15进行变向定位，并与上、下U形连接件Ⅱ16、14串联；动力装置Ⅱ8工作时，动滑轮Ⅰ3沿动力装置Ⅱ8作用杆轴线方向运动，带动钢丝绳2拉紧剪切试件Ⅰ17、Ⅱ13、，施加给粘接试件18剪切疲劳载荷。
通过剪切试件施加给粘接试件18剪切载荷，粘接试件所受的剪切载荷等于动滑轮Ⅰ3作用力的1/2。若对N个粘接试件施加剪切载荷Q，则动力装置Ⅱ出力为2×N×Q。
若对4个粘接试件同时加载疲劳载荷1000N，则动力装置Ⅱ8的出力为8000N。
每根钢丝绳前后端连接一组上、下U形连接件Ⅱ，上、下U形连接件Ⅱ到定滑轮Ⅳ15之间的钢丝绳要长，当粘接试件受拉伸交变载荷时，胶层变形会导致钢丝绳产生一定偏转角，上、下U形连接件Ⅱ到定滑轮Ⅳ15之间的钢丝绳长度不小于L(L的长度选取要保证钢丝绳偏转角度所产生的分力对剪切载荷的影响可忽略不计)，。假设粘接试件(18)胶层会发生1mm的变形，上、下U形连接件Ⅱ到定滑轮Ⅳ15之间的钢丝绳长度为400mm。动力装置Ⅰ24对粘接试件18施加拉伸交变载荷时，胶层变形会导致钢丝绳产生arctan(1/400)＝0.16°的偏转角，钢丝绳角度变化产生的分力对粘接试件18所受剪切力几乎没有影响。
通过疲劳试验装置，可利用多级杠杆结构对多个粘接试件进行加载。对2个试件进行加载时，需要1级杠杆；对4个试件进行加载时，需要2级杠杆；对8个试件进行加载时，需要3级杠杆；对N个试件进行加载时，假设需要M级杠杆，2M＝N,则需要M＝log2(N)级杠杆。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，包括上固定加载板(1)、下固定加载板(25)、支撑柱(26)，其特征主要在于：
上固定加载板(1)和下固定加载板(25)对应平行放置，两个加载板之间固定连接多对支撑柱(26)，支撑柱(26)相对设立在两个侧面；加载支撑板(10)固定于上固定加载板(1)下面，并位于每对支撑柱(26)中间，每组加载支撑板(10)、上U形连接件Ⅰ(12)、粘接试件(18)，下U形连接件Ⅰ(19)依次铰接，相邻两组的下U形连接件Ⅰ(19)与杠杆Ⅰ(20)两端铰接，U形连接件Ⅴ(21)上端铰接于杠杆Ⅰ(20)中部，下端铰接于杠杆Ⅱ(22)端部，杠杆Ⅱ(22)另一端部对应铰接同样的另一组试件；U形连接件Ⅵ(23)上端铰接杠杆Ⅱ(22)中部，下端铰接动力装置Ⅰ(24)，动力装置Ⅰ(24)固定在下固定加载板(25)上；动力装置Ⅰ(24)作用力通过U形连接件和杠杆传递到粘接试件，施加粘接试件拉伸疲劳载荷；
剪切试件Ⅰ(17)固定在粘接试件(18)的下铝合金试棒，剪切试件Ⅱ(13)固定于粘接试件(18)的上铝合金试棒，剪切试件Ⅰ(17)铰接于上U形连接件Ⅱ(16)，剪切试件Ⅱ(13)铰接于下U形连接件Ⅱ(14)；上U形连接件Ⅱ(16)、下U形连接件Ⅱ(14)位于同一轴线；
动力装置Ⅱ(8)固定到上固定加载板(1)，动力装置Ⅱ(8)的U形连接件Ⅲ(7)铰接杠杆Ⅲ(6)中部，杠杆Ⅲ(6)一端铰接U形连接件Ⅳ(5)上端，U形连接件Ⅳ(5)下端与杠杆Ⅳ(4)中部铰接，杠杆Ⅳ(4)两端固定连接动滑轮Ⅰ(3)，杠杆Ⅲ(6)另一端对应设置相同试件；
每个动滑轮Ⅰ(3)分别通过一组固定于同一垂直截面上的位于固定加载板(1)上的定滑轮Ⅱ(9)、定滑轮Ⅲ(11)以及固定于立柱(26)上的定滑轮Ⅳ(15)进行变向定位，并与上、下U形连接件Ⅱ(16、14)串联；动力装置Ⅱ(8)工作时，动滑轮Ⅰ(3)沿动力装置Ⅱ(8)作用杆轴线方向运动，带动钢丝绳(2)拉紧剪切试件Ⅰ、Ⅱ(17、13)，施加给粘接试件(18)剪切疲劳载荷。
2.根据权利要求1所述的一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其特征在于：所述的动力装置Ⅰ(24)和动力装置Ⅱ(8)能够以一定的振幅、周期、频率进行工作。
3.根据权利要求1所述的一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其特征在于：上、下U形连接件Ⅰ的上销轴和下销轴轴线相互垂直，形成类万向节结构，防止粘接试件受弯矩和扭矩的作用。
4.根据权利要求1所述的一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其特征在于：所述动力装置Ⅰ(24)以一定的振幅、周期、频率进行工作，通过杠杆和U形连接件，施加到若干个粘接试件(18)相同大小和方向的交变或恒定拉伸载荷，若对N个粘接试件施加拉伸载荷P，则动力装置Ⅰ出力为N×P。
5.根据权利要求1所述的一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其特征在于：所述剪切试件Ⅰ(17)和剪切试件Ⅱ((13)的销孔轴线与粘接试件粘接胶层的中间面要共面，保证剪切试件施加给粘接试件剪切载荷，钢丝绳(2)的轴向垂直于粘接试件的侧面，减小剪切载荷侧向分力的作用。
6.根据权利要求1所述的一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其特征在于：
上、下U形连接件Ⅱ到定滑轮Ⅳ15之间的钢丝绳长度不小于L，L的长度选取要保证钢丝绳偏转角度所产生的分力对剪切载荷的影响可忽略不计，当粘接试件受拉伸交变载荷时，粘接试件胶层变形会导致钢丝绳轴向不完全垂直于粘接试件的侧面，当钢丝绳长度取L时能减小侧向分力对粘接试件剪切载荷的影响。
7.根据权利要求1所述的一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其特征在于：动力装置Ⅱ(8)能够以一定的振幅、周期、频率进行工作，所述粘接试件所受的剪切载荷等于动滑轮Ⅰ(3)作用力的1/2，若对N个粘接试件施加剪切载荷Q，则动力装置Ⅱ出力为2×N×Q。
8.根据权利要求1所述的一种多试件粘接接头双向加载疲劳实验装置，其特征在于：通过疲劳试验装置，可利用多级杠杆结构对多个粘接试件进行加载，对2个试件进行加载时，需要1级杠杆；对4个试件进行加载时，需要2级杠杆；对8个试件进行加载时，需要3级杠杆；对N个试件进行加载时，假设需要M级杠杆，2M＝N，则需要M＝log2(N)级杠杆。
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