CN106896022A - 一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置，其由控制装置（20）、人机对话系统（21）、加载装置（1）、拉力传感器（2）、位移传感器（7）等组成。十字形试件（19）四端穿过C型套筒夹具（4）进行固定；水平方向拉力传感器（2）通过连接臂（3）将试件夹具与加载装置（1）连接；垂直方向拉力传感器（2）连接垂直支承（5）与加载装置（1）。控制装置（20）用于控制试件的张拉方式，并通过人机对话系统（21）实现界面操作。本发明安全可靠，形式新颖，实用性强，传力明确，操作性强，造价低，操作简单，可视性强，控制灵活，检测和维修方便，稳定性好，测量精度高。
Description
技术领域：
本发明涉及一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置，可应用于土木工程及材料科学领域。
背景技术：
社会经济及科学技术的迅速发展促进了已有材料的改革及新材料的出现，并使材料应用范围拓展至机械工程、土木工程及航空航天等众多领域。作为应用与分析的基础，材料力学性能的研究尤为重要。对于高分子材料及织物类材料，应力松弛性能成为研究其粘弹特性的一个重要研究方向，许多学者进行了应力松弛试验并提出了不同的材料模型。但研究试验大多为单向或双向拉伸平面应力状态，较少涉及曲面应力状态试验。
目前双轴应力松弛试验大多基于双轴拉伸试验机设备。该类试验设备分为机械式和电子式。机械式虽操作简单，稳定性较好，但拉伸阶段控制性较差。电子设备则可克服机械式缺点，对双轴拉伸比例进行较好的控制，精确度较高，但该类设备尚不能实现垂直加载及曲面应力松弛测试，仅可进行平面应力状态测试。
发明内容：
本发明的目的就是为了克服上述已有技术的不足而提供一种安全可靠，形式新颖，实用性强，传力明确，操作性强，造价低，操作简单，可视性强，控制灵活，检测和维修方便，稳定性好，测量精度高的模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置，其包括控制装置，控制装置连接人机对话系统，其特征在于其还包括5个加载装置、5个拉力传感器、4个连接臂、4个C型套筒夹具、垂直支承、十字形钢支架，2个位移传感器，其中：4个加载装置分别对称布置于十字形试件水平方向的横向和纵向，并通过固定于十字形钢支架的四端，这4个加载装置均分别连接一个拉力传感器；每个拉力传感器均分别通过一个连接臂连接一个C型套筒夹具；十字形试件的四端穿过4个C型套筒夹具进行固定张拉；2个位移传感器设于十字形试件核心区正交水平两个方向；另一个加载装置设于十字形试件中心处的垂直方向，该加载装置连接垂直方向的拉力传感器，垂直方向的拉力传感器与十字形试件中心处下方放置的垂直支承相连；所述的加载装置可实现水平和垂直加载，其由步进电机、T型连接件、轴承、连接块、丝杆、导轨、滑块、连接块和连接组件组成；步进电机通过T型连接件与轴承相连；轴承通过第一连接块与丝杆和导轨相连，丝杆和导轨水平放置并上下排列；滑块上端钻有螺纹孔，与丝杆相连，下端钻孔套于导轨上；导轨另一端连接第二连接块，第二连接块与第一连接块一起将导轨固定于十字形钢支架上；连接组件一端与滑块两侧相连，另一端则连接拉力传感器；控制装置连接十字形钢支架上。
为了进一步实现本发明的目的，所述的所述的控制装置包括可编程控制器、脉冲输出模块、模拟量输入模块、5个电机驱动器、5个拉力变送器，可编程控制器分别连接脉冲输出模块、模拟量输入模块，脉冲输出模块分别连接5个电机驱动器，每个电机驱动器分别与1个加载装置的步进电机相连，模拟量输入模块连接5个拉力变送器，每个拉力变送器分别连接一个拉力传感器；控制装置的可编程控制器连接人机对话系统实现界面操作，提供水平方向的单边独立加卸载、单向联动加卸载、双向比例加卸载、多次加卸载、力保持和垂直方向加卸载工作模式。
为了进一步实现本发明的目的，所述的加载装置对十字形试件水平两个方向施加荷载，拉伸过程中由拉力传感器测量施加的荷载值，2个位移传感器测量十字形试件核心区部位两个水平方向的位移值，通过控制装置时时传输给人机对话系统，记录拉伸过程试件的荷载-位移曲线，加载装置对垂直支承施加外荷载提升膜面形成曲面，由拉力传感器测量局部曲面应力松弛情况。
本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：
（1）本实验装置可实现试件的水平和垂直加卸载，用于试件平面应力状态及曲面应力状态测试。通过导轨、丝杆及滑块定位，保证水平和垂直方向加载，并将轴承的转动扭矩转化为滑块在导轨方向的位移，实现对试件的加载卸载。垂直方向加载则可直接根据滑块在导轨的移动测定提升位移。该加载方式的机械结构简易，传力明确，操作性强，造价低。
（2）加载装置对十字形试件水平两个方向施加荷载，拉伸过程中由拉力传感器测量施加的荷载值，位移传感器测量十字形试件核心区部位两个水平方向的位移值，通过控制装置时时传输给人机对话系统，记录拉伸过程试件的荷载-位移曲线。本发明采用精度较高的位移传感器，并与试件可靠连接，通过调试验证，稳定性好，荷载-位移曲线测量精度高。
（3）本实验装置采用人机对话系统界面操作，通过控制装置进行水平方向的单边独立加卸载、单向联动加卸载、双向比例加卸载、多次加卸载、力保持；垂直方向加卸载工作模式。与已有技术相比，具有可视性强，操作简便，工作模式多样化的优点。
（4）控制装置中以试件水平某一方向为基准方向，使相应的步进电机按设恒定转速加载，试件另一水平方向则由控制装置时时调整相应的步进电机转速，保证试件两个水平方向呈比例加载。对于非线性薄膜材料，该控制方式更为灵活、可靠地实现了比例加载。
（5）垂直支承施加外荷载提升试件平面形成曲面，由拉力传感器测量局部曲面荷载值。拉力传感器的荷载值通过控制装置时时传输给人机对话系统，进行长期时间与荷载值的记录，完成曲面下应力松弛的测试。该试验装置实现了垂直加载及曲面应力松弛试验，弥补了现有技术的空缺。
附图说明：
图1为本发明的机械结构俯视示意图；
图2为本发明的机械结构侧面示意图；
图3为本发明的控制装置电气原理图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例：一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置（参见图1-图3），其机械结构部分包括5个加载装置1、5个拉力传感器2、4个连接臂3、4个C型套筒夹具4、垂直支承5、十字形钢支架6，2个位移传感器7，其中：4个加载装置1分别对称布置于十字形试件19水平方向的横向[即X向（X1向和X2向）]和纵向[即Y向（Y1向和Y2向）]，并通过连接件固定于十字形钢支架6的四端，这4个加载装置1均分别连接一个拉力传感器2；每个拉力传感器2均分别通过一个连接臂3连接一个C型套筒夹具4；十字形试件19的四端穿过4个C型套筒夹具4进行固定张拉。2个位移传感器7装设于十字形试件19核心区正交水平两个方向，测量其张拉过程中的变形。另一个加载装置1布置于十字形试件19中心处的垂直方向（即Z向），该加载装置1连接垂直方向的拉力传感器2，垂直方向的拉力传感器2与十字形试件19中心处下方放置的垂直支承5相连，对十字形试件19的局部核心区进行顶升。十字形钢支架6上设有8个斜向水平支撑17和4个垂直支撑18来增加其刚度及稳定性。所述加载装置1可实现水平和垂直加载，其由步进电机8、T型连接件9、轴承10、连接块11、丝杆12、导轨13、滑块14、连接块15和连接组件16组成。步进电机8通过T型连接件9与轴承10相连；轴承10通过第一连接块11与丝杆12和导轨13相连，丝杆12和导轨13水平放置并上下排列；滑块14上端钻有螺纹孔，与丝杆12相连，下端钻孔套于导轨13上；导轨13另一端连接第二连接块15固定，第二连接块15与第一连接块11一起将导轨13固定于十字形钢支架6上；连接组件16一端与滑块14两侧相连，另一端则连接拉力传感器2。十字形钢支架6上连接控制装置20。控制装置20连接人机对话系统21，控制装置20包括可编程控制器20-1、脉冲输出模块20-2、模拟量输入模块20-3、5个电机驱动器20-4、5个拉力变送器20-5，可编程控制器20-1分别连接脉冲输出模块20-2、模拟量输入模块20-3，脉冲输出模块20-2分别连接5个电机驱动器20-4，每个电机驱动器20-4分别与1个加载装置1的步进电机8相连，模拟量输入模块20-3连接5个拉力变送器20-5，每个拉力变送器20-5分别连接一个拉力传感器2。控制装置20的可编程控制器20-1连接人机对话系统21实现界面操作，提供不同加卸载工作模式。
本发明中，通过导轨13、丝杆12及滑块14定位，保证水平和垂直方向加载，并将轴承10的转动扭矩转化为滑块14在导轨13方向的位移，实现对试件19的加载卸载，并保障试件19受力均匀、稳定。垂直方向加载则可直接根据滑块14在导轨13的移动测定提升位移。
本发明中，加载装置1对十字形试件19水平两个方向施加荷载，拉伸过程中由拉力传感器2测量施加的荷载值，2个位移传感器7测量十字形试件19核心区部位两个水平方向的位移值，通过控制装置20时时传输给人机对话系统21，记录拉伸过程试件的荷载-位移曲线。
本发明的控制装置的电气工作原理如图3所示。通过人机对话系统21选择对十字形试件19的加载（卸载）模式（包括水平方向的单边独立加卸载、单向联动加卸载、双向比例加卸载、多次加卸载、力保持；垂直方向加卸载工作模式）。
以水平方向的双向比例加载为例，将一个水平方向（X向）作为基准方向，在人机对话系统21中输入该方向电机转动速度参数（vx）,另一个水平方向（Y向）的电机初始转动速度（vY）,两个水平方向要加载的荷载值（FX和FY）和比例加载系数（ρ=FX：FY），使可编程控制器20-1控制脉冲输出模块20-2发出脉冲信号给对应方向的电机驱动器20-4，相应的步进电机8按输入的速度参数（vx和vY）转动；同时X和Y方向的拉力传感器2采集的荷载值通过对应的拉力变送器20-5将其转换为电流信号并传输到模拟量输入模块20-3，模拟量输入模块20-3将此电流信号所代表的荷载值传递到可编程控制器20-1，可编程控制器20-1根据得到的X向和Y向荷载值大小，发送信号给脉冲输出模块20-2，使其发出不同的脉冲信号时时调整Y向步进电机8的转动速度vY，保证Y向荷载值与X向荷载值保持比例系数ρ，实现比例加载。X向电机按恒定转动速度vx转动加载直至X向力传感器2达到设定的荷载值FX，Y向电机跟随X向荷载值保持比例变速转动加载至Y向力传感器2达到FY，加载结束。
同理，对于水平方向单边独立加卸载、单向联动加卸载，多次加卸载及垂直方向加卸载模式工作原理相同，不在赘述。
对于力保持工作模式，在人机对话系统21输入保持的时间t及力传感器2保持的恒定荷载值F，采用上述任意加载模式完成试件张拉，使力传感器2的荷载值达到恒定荷载值F，在随后时间t内，若力传感器2的荷载值低于恒定荷载值F，则电机8将以转动速度（0~0.02mm/s范围自动调整）加载至力传感器2恒定荷载值。经测试在力保持模式下，荷载值可保持在恒定荷载值±1kg范围内。
进行应力松弛试验时，通过上述试验装置的工作原理，完成十字形试件19的水平加载和垂直加载过程，停止步进电机8转动。拉力传感器2的荷载值通过控制装置20时时传输给人机对话系统21，进行长期时间与荷载值的记录，完成平面及曲面下应力松弛的测试。
本发明已以较实例揭示如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明不限于上述实例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的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 (3)
1.一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置，其包括控制装置（20），控制装置（20）连接人机对话系统（21），其特征在于其还包括5个加载装置（1）、5个拉力传感器（2）、4个连接臂（3）、4个C型套筒夹具（4）、垂直支承（5）、十字形钢支架（6），2个位移传感器（7），其中：4个加载装置（1）分别对称布置于十字形试件（19）水平方向的横向和纵向，并通过固定于十字形钢支架（6）的四端，这4个加载装置（1）均分别连接一个拉力传感器（2）；每个拉力传感器（2）均分别通过一个连接臂（3）连接一个C型套筒夹具（4）；十字形试件（19）的四端穿过4个C型套筒夹具（4）进行固定张拉；2个位移传感器（7）设于十字形试件（19）核心区正交水平两个方向；另一个加载装置（1）设于十字形试件（19）中心处的垂直方向，该加载装置（1）连接垂直方向的拉力传感器（2），垂直方向的拉力传感器（2）与十字形试件（19）中心处下方放置的垂直支承（5）相连；所述的加载装置（1）可实现水平和垂直加载，其由步进电机（8）、T型连接件（9）、轴承（10）、连接块（11）、丝杆（12）、导轨（13）、滑块（14）、连接块（15）和连接组件（16）组成；步进电机（8）通过T型连接件（9）与轴承（10）相连；轴承（10）通过第一连接块（11）与丝杆（12）和导轨（13）相连，丝杆（12）和导轨（13）水平放置并上下排列；滑块（14）上端钻有螺纹孔，与丝杆（12）相连，下端钻孔套于导轨（13）上；导轨（13）另一端连接第二连接块（15），第二连接块（15）与第一连接块（11）一起将导轨（13）固定于十字形钢支架（6）上；连接组件（16）一端与滑块（14）两侧相连，另一端则连接拉力传感器（2）；控制装置（20）连接十字形钢支架（6）上。
2.根据权利要求1所述的一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置，其特征在于所述的控制装置（20）包括可编程控制器（20-1）、脉冲输出模块（20-2）、模拟量输入模块（20-3）、5个电机驱动器（20-4）、5个拉力变送器（20-5），可编程控制器（20-1）分别连接脉冲输出模块（20-2）、模拟量输入模块（20-3），脉冲输出模块（20-2）分别连接5个电机驱动器（20-4），每个电机驱动器（20-4）分别与1个加载装置（1）的步进电机（8）相连，模拟量输入模块（20-3）连接5个拉力变送器（20-5），每个拉力变送器（20-5）分别连接一个拉力传感器（2）；控制装置（20）的可编程控制器（20-1）连接人机对话系统（21）实现界面操作，提供水平方向的单边独立加卸载、单向联动加卸载、双向比例加卸载、多次加卸载、力保持和垂直方向加卸载工作模式。
3.根据权利要求1所述的一种模拟薄膜材料平面及曲面应力松弛作用的试验装置，其特征在于所述的加载装置（1）对十字形试件（19）水平两个方向施加荷载，拉伸过程中由拉力传感器（2）测量施加的荷载值，2个位移传感器（7）测量十字形试件（19）核心区部位两个水平方向的位移值，通过控制装置（20）时时传输给人机对话系统（21），记录拉伸过程试件的荷载-位移曲线，加载装置（1）对垂直支承（5）施加外荷载提升膜面形成曲面，由拉力传感器（2）测量局部曲面应力松弛情况。
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