CN107941598B - 双向拉伸加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双向拉伸加载装置，包括：固定底座；加载杆，其垂直穿过所述固定底座并能够相对于所述固定底座垂直移动，所述加载杆的上端连接力学试验机，下端设有用于枢轴连接试验件的耳片；以及连杆机构，其将力学试验机通过所述加载杆对试验件施加的载荷转化为垂直方向和水平方向的拉伸载荷；其中，所述连杆机构包括外杆组件和内杆组件。根据本发明的双向拉伸加载装置借助“打伞式”的连杆机构运动来分配载荷，再将分配后的正交双向载荷传递给试验件。

Description

双向拉伸加载装置
技术领域
本发明属于航空结构及材料加载测试技术领域，具体涉及一种用于双向加载试验的双向拉伸加载装置，其适用于正方形、十字形或圆形试验件的加载试验。
背景技术
飞机中大多数的结构件都是双向受力的，正交双向加载试验最能够模拟飞机零件的真实受力状态。但由于双向加载试验设计的复杂性，目前航空业内开展的绝大多数材料级别、零件级别甚至部段级别的强度试验依然设计成单向拉伸的形式，国内外行业标准及规范也缺少对双向加载试验的指导文件。
现有的双向加载方法最普遍的是使用两套液压加载作动筒，这种方法需要克服两套加载系统之间的踏步，而且试验成本高。例如,中国专利CN200810017989.1中公开了一种可以在单向拉伸试验机平台完成双向加载的装置，但是该装置多处利用焊接来固定螺纹杆，使结构安装相对较复杂，可进行的试验件尺寸偏小。中国专利CN201310652430.7中公开了一种圆环形载荷分解器，实施方法比较简单，但圆环形装置的制造及其在试验台上的固支设计会比较困难。中国专利CN201010240086.7中公开了一种机械式双向拉伸试验仪，可以将面外的单向拉伸载荷转换成多种比例的面内双向拉伸载荷，不过它的零部件更多，结构更复杂，而且只能应用于尺寸较小的十字形试验件。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在万能力学试验机上实现特定比例双向拉伸加载的双向拉伸加载装置，用于模拟正交双向载荷的应力状态。
为了实现上述目的，根据本发明的双向拉伸加载装置包括：
固定底座；
加载杆，其垂直穿过所述固定底座并能够相对于所述固定底座垂直移动，所述加载杆的上端连接力学试验机，下端设有用于枢轴连接试验件的耳片；以及
连杆机构，其将力学试验机通过所述加载杆对试验件施加的载荷转化为垂直方向和水平方向的拉伸载荷；
其中，所述连杆机构包括外杆组件和内杆组件；
其中，所述外杆组件包括第一外杆、第二外杆、第三外杆和第四外杆，第一外杆的一端和第二外杆的一端分别枢轴连接到所述固定底座，第一外杆的另一端和第四外杆的一端枢轴连接，第二外杆的另一端和第三外杆的一端枢轴连接，第三外杆的另一端和第四外杆的另一端枢轴连接，以形成平行四边形结构；
其中，所述内杆组件包括第一内杆、第二内杆和第三内杆，第一内杆的一端与第一外杆和第四外杆枢轴连接，另一端与试验件枢轴连接；第二内杆的一端与第二外杆和第三外杆枢轴连接，另一端与试验件枢轴连接；第三内杆的一端与第三外杆和第四外杆枢轴连接，另一端与试验件枢轴连接。
其中，第一外杆和第二外杆的延长线的交点与所述加载杆和试验件的连接点之间的距离等于第三外杆和第四外杆的连接点与第三内杆和试验件的连接点之间的距离，第一外杆和第四外杆的连接点与第一内杆和试验件的连接点之间的距离等于第二外杆和第三外杆的连接点与第二内杆和试验件的连接点之间的距离。
其中，第一外杆、第二外杆、第三外杆和第四外杆分别由两根杆相互堆叠构成，第一内杆布置在第一外杆的两根杆之间，第一外杆布置在第四外杆的两根杆之间；第二内杆布置在第三外杆的两根杆之间，第三内杆布置在第三外杆的两根杆之间，第三外杆的一端布置在第二外杆的两根杆之间，另一端布置在第四外杆的两根杆之间。
其中，所述连杆机构还包括对接组件，所述对接组件包括第一对接板、第二对接板和第三对接板，第一对接板、第二对接板和第三对接板分别由两块板相互堆叠构成，其中，第一对接板的一端与布置在第一对接板的两块板之间的第一内杆枢轴连接，另一端与布置在第一对接板的两块板之间的试验件枢轴连接；第二对接板的一端与布置在第二对接板的两块板之间的第二内杆枢轴连接，另一端与布置在第二对接板的两块板之间的试验件枢轴连接；第三对接板的一端与布置在第三对接板的两块板之间的第三内杆枢轴连接，另一端与布置在第三对接板的两块板之间的试验件枢轴连接。
其中，所述固定底座设有固定套筒，所述加载杆通过键安装到所述固定底座的固定套筒内。
其中，所述外杆组件、所述内杆组件和所述对接组件的材料的拉伸杨氏模量不低于试验件材料的拉伸杨氏模量的2.5倍。
本发明的双向拉伸加载装置借助“打伞式”的连杆机构运动来分配载荷，再将分配后的正交双向载荷传递给试验件，可以满足各种固定比例的正交双向拉伸加载要求，不存在双向载荷的同步性问题，试验成本低。
附图说明
本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，其中：
图1示出了根据本发明的双向拉伸加载装置的结构示意图；
图2示出了图1中的加载杆的结构示意图；
图3示出了根据本发明的双向拉伸加载装置实现不同比例加载的示意图；
图4是示出了根据本发明的双向拉伸加载装置在力学试验机上的安装示意图。
具体实施方式
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其它实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。
如图1到图2中所示。根据本发明的双向拉伸加载装置包括固定底座10、加载杆20以及连杆机构。加载杆20垂直穿过固定底座10并能够相对于固定底座10垂直移动，加载杆20的上端连接力学试验机，下端设有用于枢轴连接试验件30的耳片21。
在图中所示的实施例中，固定底座10设有固定套筒11，加载杆20通过键22安装到固定底座10的固定套筒11内。键22与加载杆20一同在固定套筒11内滑动，同时限制加载杆20的转动。
连杆机构将力学试验机通过加载杆20对试验件30施加的载荷转化为垂直方向和水平方向的拉伸载荷。
其中，连杆机构包括外杆组件40和内杆组件50。外杆组件包括第一外杆41、第二外杆42、第三外杆43和第四外杆44，第一外杆41的一端和第二外杆42的一端分别枢轴连接到固定底座10的固定套筒11的两侧，其间可以设置垫圈，来调整各根连杆在厚度方向的空间位置，以免造成附加的弯曲载荷。第一外杆41的另一端和第四外杆44的一端枢轴连接，第二外杆42的另一端和第三外杆43的一端枢轴连接，第三外杆43的另一端和第四外杆44的另一端枢轴连接，以形成平行四边形结构。
内杆组件50包括第一内杆51、第二内杆52和第三内杆53，第一内杆51的一端与第一外杆41和第四外杆44枢轴连接，另一端与试验件30枢轴连接；第二内杆52的一端与第二外杆42和第三外杆43枢轴连接，另一端与试验件30枢轴连接；第三内杆53的一端与第三外杆43和第四外杆44枢轴连接，另一端与试验件30枢轴连接。
根据本发明的一个实施例，第一外杆41、第二外杆42、第三外杆43和第四外杆44分别由两根杆相互堆叠构成，第一内杆51布置在第一外杆41的两根杆之间，第一外杆41布置在第四外杆44的两根杆之间；第二内杆52布置在第三外杆43的两根杆之间，第三内杆53布置在第三外杆43的两根杆之间，第三外杆43的一端布置在第二外杆42的两根杆之间，另一端布置在第四外杆44的两根杆之间。连杆机构的外杆组件和内杆组件的相互叠放次序关于整个装置中面完全对称，以保证结构顺利运作，而且不会产生弯曲载荷。
根据本发明的一个实施例，连杆机构还包括对接组件60，对接组件60包括第一对接板61、第二对接板62和第三对接板63，第一对接板61、第二对接板62和第三对接板63分别由两块板相互堆叠构成，其中，第一对接板61的一端与布置在第一对接板61的两块板之间的第一内杆51枢轴连接，另一端与布置在第一对接板61的两块板之间的试验件30枢轴连接；第二对接板62的一端与布置在第二对接板62的两块板之间的第二内杆52枢轴连接，另一端与布置在第二对接板62的两块板之间的试验件30枢轴连接；第三对接板63的一端与布置在第三对接板63的两块板之间的第三内杆53枢轴连接，另一端与布置在第三对接板63的两块板之间的试验件30枢轴连接。根据实际情况也可以将第一对接板61、第二对接板62和第三对接板63分别与内侧的第一内杆51、第二内杆52和第三内杆53设计成一体的零件(类似加载杆20的外形)，这样可以施加双向的压缩载荷。
如图3中所示，第一外杆41和第二外杆42的延长线的交点A与加载杆20和试验件30的连接点B之间的距离AB等于第三外杆43和第四外杆44的连接点E与第三内杆53和试验件30的连接点F之间的距离EF，第一外杆41和第四外杆44的连接点C与第一内杆51和试验件30的连接点D之间的距离CD等于第二外杆42和第三外杆43的连接点G与第二内杆52和试验件30的连接点H之间的距离GH。通过合理地设计内杆和对接板的长度，能够实现不同比例的双向载荷。例如，当AB＝CD＝EF＝GH时，水平方向及垂直方向的加载比例为1：1；而当AB＝2CD＝EF＝2GH时，水平方向及垂直方向的加载比例为1：2。
外杆组件40、内杆组件50和对接组件60的材料的拉伸杨氏模量不低于试验件30材料的拉伸杨氏模量的2.5倍。
试验件30可以为正方形、十字形或者圆形，这样可以方便设计连杆机构的长度。其它几何外形的试验件也可以应用本发明，但对于连杆机构长度等参数需要做更多的计算和模拟来保证加载精度。
设计连杆机构时应先根据实际力学试验机两侧立柱的间距，设计外杆的长度。常用的力学试验机两侧立柱的最小间距约为0.8米，另外还需要考虑连杆机构运动时需要的空间，所以每根外杆的长度最大0.4米。最后设计三根内杆，可以通过改变水平和垂直连杆的长度比例，来调整水平和垂直方向的载荷比例。
根据本发明的装置的安装步骤如下：
如图4中所示，根据本发明的装置可以安放在水平台面上使用，也可以安装在万能力学试验机上。以后者为例对安装步骤进行说明，按照图4所示，先将固定底座10完全与力学试验机70固定，然后将装配好的加载杆20穿过固定底座10中间的固定套筒11夹持到力学试验机70的上端夹头，接着按照图1中次序堆叠连杆机构的外杆组件40、内杆组件50、对接板组件60和试验件30，对加载杆20、固定底座10的固定套筒11和所有连杆的连接端涂抹润滑油，加载调试，稳定后即可试验。其中，固定底座10与万能力学试验机两侧的立柱固定连接，它的作用是限制加载杆20的自由度，使其在固定底座10中间的固定套筒11内做垂直方向运动。加载杆20的键22可以限制加载杆20在轴向运动时产生转动，它与加载杆20和固定底座10的固定套筒11之间的配合应保证一定的精度，在实际运作时必须涂润滑油，尽量避免因摩擦消耗能量，导致传递载荷减小。
本发明将试验件的固定端头和加载端头设计在同一侧，借助“打伞式”的连杆机构运动来分配载荷，再将分配后的正交双向载荷传递给试验件。
本发明设计的“打伞式”传载方法，可以满足各种固定比例的正交双向拉伸加载要求，不存在双向载荷的同步性问题，试验成本低(在万能力学试验机上，仅用一根加载作动筒及液压伺服系统)；各部件结构简单，连接和拆卸方便，制造成本低；加载杆，键，套筒装配和对称连杆堆叠结构的设计能够保证稳定的受力状态，没有附加的面外弯曲或扭转载荷，可以满足一定的加载精度要求。
以上已揭示本发明的具体实施例的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的各种特征和未在此明确示出的特征的组合作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施例的描述是示例性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。

Claims (5)

1.一种双向拉伸加载装置，其特征在于，包括：
固定底座(10)，所述固定底座(10)设有固定套筒(11)，加载杆(20)通过键(22)安装到所述固定底座(10)的固定套筒(11)内；
加载杆(20)，其垂直穿过所述固定底座(10)并能够相对于所述固定底座(10)垂直移动，所述加载杆(20)的上端连接力学试验机，下端设有用于枢轴连接试验件(30)的耳片(21)；以及
连杆机构，其将力学试验机通过所述加载杆(20)对试验件(30)施加的载荷转化为垂直方向和水平方向的拉伸载荷；
其中，所述连杆机构包括外杆组件(40)和内杆组件(50)；
其中，所述外杆组件(40)包括第一外杆(41)、第二外杆(42)、第三外杆(43)和第四外杆(44)，第一外杆(41)的一端和第二外杆(42)的一端分别枢轴连接到所述固定底座(10)的固定套筒(11)的两侧，第一外杆(41)的另一端和第四外杆(44)的一端枢轴连接，第二外杆(42)的另一端和第三外杆(43)的一端枢轴连接，第三外杆(43)的另一端和第四外杆(44)的另一端枢轴连接，以形成平行四边形结构；
所述内杆组件(50)包括第一内杆(51)、第二内杆(52)和第三内杆(53)，第一内杆(51)的一端与第一外杆(41)和第四外杆(44)枢轴连接，另一端与试验件(30)枢轴连接；第二内杆(52)的一端与第二外杆(42)和第三外杆(43)枢轴连接，另一端与试验件(30)枢轴连接；第三内杆(53)的一端与第三外杆(43)和第四外杆(44)枢轴连接，另一端与试验件(30)枢轴连接。
2.根据权利要求1所述的双向拉伸加载装置，其特征在于，第一外杆(41)和第二外杆(42)的延长线的交点与所述加载杆(20)和试验件(30)的连接点之间的距离等于第三外杆(43)和第四外杆(44)的连接点与第三内杆(53)和试验件(30)的连接点之间的距离，第一外杆(41)和第四外杆(44)的连接点与第一内杆(51)和试验件(30)的连接点之间的距离等于第二外杆(42)和第三外杆(43)的连接点与第二内杆(52)和试验件(30)的连接点之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的双向拉伸加载装置，其特征在于，第一外杆(41)、第二外杆(42)、第三外杆(43)和第四外杆(44)分别由两根杆相互堆叠构成，第一内杆(51)布置在第一外杆(41)的两根杆之间，第一外杆(41)布置在第四外杆(44)的两根杆之间；第二内杆(52)布置在第三外杆(43)的两根杆之间，第三内杆(53)布置在第三外杆(43)的两根杆之间，第三外杆(43)的一端布置在第二外杆(42)的两根杆之间，另一端布置在第四外杆(44)的两根杆之间。
4.根据权利要求1或2所述的双向拉伸加载装置，其特征在于，所述连杆机构还包括对接组件(60)，所述对接组件(60)包括第一对接板(61)、第二对接板(62)和第三对接板(63)，第一对接板(61)、第二对接板(62)和第三对接板(63)分别由两块板相互堆叠构成，其中，第一对接板(61)的一端与布置在第一对接板(61)的两块板之间的第一内杆(51)枢轴连接，另一端与布置在第一对接板(61)的两块板之间的试验件(30)枢轴连接；第二对接板(62)的一端与布置在第二对接板(62)的两块板之间的第二内杆(52)枢轴连接，另一端与布置在第二对接板(62)的两块板之间的试验件(30)枢轴连接；第三对接板(63)的一端与布置在第三对接板(63)的两块板之间的第三内杆(53)枢轴连接，另一端与布置在第三对接板(63)的两块板之间的试验件(30)枢轴连接。
5.根据权利要求4所述的双向拉伸加载装置，其特征在于，所述外杆组件(40)、所述内杆组件(50)和所述对接组件(60)的材料的拉伸杨氏模量不低于试验件(30)材料的拉伸杨氏模量的2.5倍。
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