CN106932274A - 用于材料双轴拉‑压加载试验的装置及方法 - Google Patents

用于材料双轴拉‑压加载试验的装置及方法 Download PDF

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于健
蔡登安
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Abstract

本发明提供了一种用于材料双轴拉‑压加载试验的装置，该装置由夹持端（1）、加载压块（2）、四个倾斜加载臂（4‑1、4‑2、4‑3、4‑4）、两个左右对称的拉伸支座（5‑1、5‑2）、四个夹头（8‑1、8‑2、8‑3、8‑4）和底座（7）组成；左右两侧相邻两个倾斜加载臂分别连接两个左右对称的拉伸支座（5‑1、5‑2），向上通过顶部铰支座（3‑1、3‑2）与加载压块（2）连接，向下通过底部铰支座（6‑1、6‑2）与底座连接；4个夹头（8‑1、8‑2、8‑3、8‑4）分别安装在加载压块（2）、两个拉伸支座（5‑1、5‑2）和底座（7）上。与现有技术相比，本发明设备构造简单，便于维护，能够方便的配合单轴试验机实现双轴拉‑压加载试验，降低试验成本。

Description

用于材料双轴拉-压加载试验的装置及方法
技术领域
本发明涉及复合材料复杂载荷测试领域，具体是一种用于材料双轴拉-压加载试验的装置及方法。
背景技术
复合材料在承力结构中的应用比重越来越大，使得材料承受的应力状态也越来越复杂。因此，对复合材料的强度特性，特别是双轴应力或多轴应力状态下的破坏特性的研究也越发必要，以保证材料结构在使用中的安全。
目前复合材料单轴性能测试技术较为成熟，一般只需通过某一个加载方向进行加载，即可获得材料的单轴力学性能，常见的复合材料单轴测试标准可参见GB/T 1447-2005（静态拉伸性能测试）及GB/T 16779-2008（拉-拉疲劳性能测试）等。而复合材料双轴性能测试方法则无任何标准可以遵循。
目前，双轴加载设备一般分为两大类：（1）利用单轴加载系统构成的双轴加载设备；（2）利用两个或多个加载系统构成的双轴加载设备。第一类装置主要利用一定的机械结构实现双轴加载，如发明专利“一种用于进行材料双向加载试验的试验装置”（申请号：201110295955.0）和发明专利“拉伸比例可调式双轴拉伸夹具”（申请号：201510586604.3），但该类装置只能实现双轴拉伸加载，且各类连接结构较多，实际实现较为复杂；发明专利“用于材料双轴拉伸试验的加载装置及方法”（申请号：201410536501.1）和发明专利“用于材料双轴压缩试验的加载装置及方法”（申请号：201410536931.3）虽然结构简单、容易实现，但该类装置仅能单独实现固定载荷比例的双轴拉伸和双轴压缩加载，无法进行双轴拉-压加载试验。第二类装置由两个或多个加载系统独立实现，如发明专利“一种双轴拉伸测试装置”（申请号：201510005909.0）和发明专利“小型自对心单向加载双轴拉压试验装置”（申请号：201210442034.7）（该发明实现的试验件尺寸及加载极限均较小，适用范围局限，且需要两个加载电机），这类试验装置较容易实现任意比例双轴拉伸或压缩试验，但由于试验设备构造复杂，成本较高，而且对控制系统的要求较高，因而该方法的应用在一定程度上受到了限制。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种用于材料双轴拉-压加载试验的装置及方法，装置构造简单，便于加工及维护，能够方便调节双轴拉-压加载比例，能够在单轴试验机上实现双轴拉-压加载试验，试验成本较低，具有足够的双轴加载精度。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其特征在于，该装置由夹持端、加载压块、四个倾斜加载臂、两个左右对称的拉伸支座、四个夹头和底座组成；
其中左右两侧相邻两个倾斜加载臂分别连接两个左右对称的拉伸支座，向上通过顶部铰支座与加载压块连接，向下通过底部铰支座与底座连接；
其中四个夹头分别安装在加载压块、两个拉伸支座和底座上。
上述夹持端与加载压块通过螺栓连接，夹持端可连接单轴加载试验机。
所述的右侧相邻两个倾斜加载臂通过螺栓连接右侧第一拉伸支座，第一倾斜加载臂向上通过第一顶部铰支座与加载压块连接，第三倾斜加载臂向下通过第一底部铰支座与底座连接。
所述的左侧相邻两个倾斜加载臂通过螺栓连接左侧第二拉伸支座，第二倾斜加载臂向上通过第二顶部铰支座与加载压块连接，第四倾斜加载臂向下通过第二底部铰支座与底座连接。
所述的四个夹头分别安装在加载压块、两个拉伸支座和底座上，其中，第一夹头通过螺栓安装在加载压块上，第二夹头通过螺栓安装在第一拉伸支座上，第三夹头通过螺栓安装在底座上，第四夹头通过螺栓安装在第二拉伸支座上，在四个夹头中间安装十字型试验件。
上述第一顶部铰支座和第二顶部铰支座与加载压块通过螺栓紧固连接，第一底部铰支座和第二底部铰支座与底座通过螺栓紧固连接。
上述第一夹头与加载压块之间的安装距离可以调节，第三夹头与底座之间的安装距离可以调节，以此实现多比例的拉-压加载功能。
用于材料双轴拉-压加载试验的装置的双轴拉-压加载方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、将四个夹头分别安装在加载压块、两个拉伸支座和底座上，调节第一夹头与加载压块之间、第三夹头与底座之间的安装距离改变双轴拉-压加载比例；
步骤2、通过夹持端将试验装置安装在单轴试验机上，试验装置底座水平放置在单轴试验机工作台上；
步骤3、将十字型试验件放置在四个夹头之间，并通过螺栓夹紧十字型试验件；
步骤4、根据不同试样材料设置加载速率，进行双轴拉-压加载测试，通过应变测量装置测量十字型试验件的变形。
本发明可以通过夹持端安装在单轴加载试验机上，单轴试验机在垂直方向上进行压缩加载，十字型试验件在垂直方向上受到压缩载荷，同时两侧的倾斜加载臂将载荷传递到左右两个对称的拉伸支座，拉伸支座向外移动，从而对十字型试验件水平方向施加拉伸载荷，以此实现对十字型试验件的双轴拉-压加载。
本发明可以通过改变垂直方向的两个夹头与加载压块及底座的安装距离调节倾斜加载臂的倾角，从而实现双轴拉-压比例的调节。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、装置构造简单，便于加工及维护，能够方便的完成试验任务；
2、能够方便调节双轴拉-压加载比例；
3、能够在单轴试验机上实现双轴拉-压加载试验，试验成本较低；
4、载荷传递及分配均匀，具有足够的双轴加载精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的等轴视图；
图3为本发明工作时加载载荷示意图；
图中各标号名称：1、夹持端，2、加载压块，3-1、第一顶部铰支座，3-2、第二顶部铰支座，4-1、第一倾斜加载臂，4-2、第二倾斜加载臂，4-3、第三倾斜加载臂，4-4、第四倾斜加载臂，5-1、第一拉伸支座，5-2、第二拉伸支座，6-1、第一底部铰支座，6-2、第二底部铰支座，7、底座，8-1、第一夹头，8-2、第二夹头，8-3、第三夹头，8-4、第四夹头，9、十字型试验件。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例的方式，对本发明进行详细说明。
实施例
一种用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其结构如图1、图2所示，该装置由夹持端1、加载压块2、四个倾斜加载臂4-1、4-2、4-3、4-4、两个左右对称的拉伸支座5-1、5-2、四个夹头8-1、8-2、8-3、8-4和底座7组成；
其中左右两侧相邻两个倾斜加载臂分别连接两个左右对称的拉伸支座5-1、5-2，向上通过顶部铰支座3-1、3-2与加载压块2连接，向下通过底部铰支座6-1、6-2与底座连接；
其中四个夹头8-1、8-2、8-3、8-4分别安装在加载压块2、两个拉伸支座5-1、5-2和底座7上。
上述夹持端1与加载压块2通过螺栓连接，夹持端1可连接单轴加载试验机。
所述的右侧相邻两个倾斜加载臂4-1、4-3通过螺栓连接右侧第一拉伸支座5-1，第一倾斜加载臂4-1向上通过第一顶部铰支座3-1与加载压块2连接，第三倾斜加载臂4-3向下通过第一底部铰支座6-1与底座7连接。
所述的左侧相邻两个倾斜加载臂4-2、4-4通过螺栓连接左侧第二拉伸支座5-2，第二倾斜加载臂4-2向上通过第二顶部铰支座3-2与加载压块2连接，第四倾斜加载臂4-4向下通过第二底部铰支座6-2与底座7连接。
所述的四个夹头8-1、8-2、8-3、8-4分别安装在加载压块2、两个拉伸支座5-1、5-2和底座7上，其中，第一夹头8-1通过螺栓安装在加载压块2上，第二夹头8-2通过螺栓安装在第一拉伸支座5-1上，第三夹头8-3通过螺栓安装在底座7上，第四夹头8-4通过螺栓安装在第二拉伸支座5-2上，在四个夹头中间安装十字型试验件9。
上述第一顶部铰支座3-1和第二顶部铰支座3-2与加载压块2通过螺栓紧固连接，第一底部铰支座6-1和第二底部铰支座6-2与底座7通过螺栓紧固连接。
上述第一夹头8-1与加载压块2之间的安装距离可以调节，第三夹头8-3与底座7之间的安装距离可以通过不同间距的限位安装孔调节，以此实现多比例的拉-压加载功能。
用于材料双轴拉-压加载试验的装置的双轴拉-压加载方法，包括以下过程：
步骤1、将四个夹头8-1、8-2、8-3、8-4分别安装在加载压块2、两个拉伸支座5-1、5-2和底座7上，调节第一夹头8-1与加载压块2之间、第三夹头8-3与底座7之间的安装距离改变双轴拉-压加载比例；
步骤2、通过夹持端1将试验装置安装在单轴试验机上，试验装置底座7水平放置在单轴试验机工作台上；
步骤3、将十字型试验件9放置在四个夹头8-1、8-2、8-3、8-4之间，并通过螺栓夹紧十字型试验件9；
步骤4、根据不同试样材料设置加载速率，进行双轴拉-压加载测试，通过应变测量装置测量十字型试验件9的变形。
通过夹持端安装在单轴加载试验机上，单轴试验机在垂直方向上进行压缩加载，十字型试验件在垂直方向上受到压缩载荷，同时两侧的倾斜加载臂将载荷传递到左右两个对称的拉伸支座，拉伸支座向外移动，从而对十字型试验件水平方向施加拉伸载荷，以此实现对十字型试验件的双轴拉-压加载。加载原理如图3所示，载荷比例为F x/F y=tanθ ，对于刚度大变形小的材料，可忽略倾斜加载臂倾角的微小变化；对于刚度小变形大的材料，随着试验件的变形，倾斜加载臂的倾角会变化θ ‘，则此时加载比例为F x/F y=tan(θ +θ ‘)。
通过改变垂直方向的两个夹头与加载压块及底座的安装距离调节倾斜加载臂的倾角θ ，从而实现双轴拉-压比例的调节。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其特征在于：该装置由夹持端（1）、加载压块（2）、四个倾斜加载臂（4-1、4-2、4-3、4-4）、两个左右对称的拉伸支座（5-1、5-2）、四个夹头（8-1、8-2、8-3、8-4）和底座（7）组成；
其中，夹持端（1）与加载压块（2）连接；
左右两侧相邻两个倾斜加载臂分别连接两个左右对称的拉伸支座（5-1、5-2），向上通过顶部铰支座（3-1、3-2）与加载压块（2）连接，向下通过底部铰支座（6-1、6-2）与底座（7）连接；
四个夹头（8-1、8-2、8-3、8-4）分别安装在加载压块（2）、两个拉伸支座（5-1、5-2）和底座（7）上，四个夹头中间安装十字型试验件（9），第一夹头（8-1）与加载压块（2）之间的安装距离可调节，第三夹头（8-3）与底座（7）之间的安装距离可调节。
2.根据权利要求1所述的用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其特征在于：所述的右侧相邻两个倾斜加载臂（4-1、4-3）通过螺栓连接第一右侧拉伸支座（5-1），第一倾斜加载臂（4-1）向上通过第一顶部铰支座（3-1）与加载压块（2）连接，第三倾斜加载臂（4-3）向下通过第一底部铰支座（6-1）与底座（7）连接。
3.根据权利要求1或2所述的用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其特征在于：所述的左侧相邻两个倾斜加载臂（4-2、4-4）通过螺栓连接第二左侧拉伸支座（5-2），第二倾斜加载臂（4-2）向上通过第二顶部铰支座（3-2）与加载压块（2）连接，第四倾斜加载臂（4-4）向下通过第二底部铰支座（6-2）与底座（7）连接。
4.根据权利要求3所述的用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其特征在于：所述的四个夹头（8-1、8-2、8-3、8-4）分别安装在加载压块（2）、两个拉伸支座（5-1、5-2）和底座（7）上，其中，第一夹头（8-1）通过螺栓安装在加载压块（2）上，第二夹头（8-2）通过螺栓安装在第一拉伸支座（5-1）上，第三夹头（8-3）通过螺栓安装在底座（7）上，第四夹头（8-4）通过螺栓安装在第二拉伸支座（5-2）上。
5.根据权利要求1所述的用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其特征在于：所述的夹持端（1）与加载压块（2）通过螺栓连接，夹持端（1）连接单轴加载试验机。
6.根据权利要求1所述的用于材料双轴拉-压加载试验的装置，其特征在于：第一顶部铰支座（3-1）和第二顶部铰支座（3-2）与加载压块（2）通过螺栓紧固连接，第一底部铰支座（6-1）和第二底部铰支座（6-2）与底座（7）通过螺栓紧固连接。
7.一种用于材料双轴拉-压加载试验的装置的双轴拉-压加载方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、将四个夹头（8-1、8-2、8-3、8-4）分别安装在加载压块（2）、两个拉伸支座（5-1、5-2）和底座（7）上，调节第一夹头（8-1）与加载压块（2）之间、第三夹头（8-3）与底座（7）之间的安装距离改变双轴拉-压加载比例；
步骤2、通过夹持端（1）将试验装置安装在单轴试验机上，试验装置底座（7）水平放置在单轴试验机工作台上；
步骤3、将十字型试验件（9）放置在四个夹头（8-1、8-2、8-3、8-4）之间，并通过螺栓夹紧十字型试验件（9）；
步骤4、根据不同试样材料设置加载速率，进行双轴拉-压加载测试，通过应变测量装置测量十字型试验件（9）的变形。
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