CN108896409A - 一种测试材料i型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统及试验方法 - Google Patents

一种测试材料i型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，包括操作平台，操作平台上安装有悬浮系统，悬浮系统包括恒定磁力板和悬浮装置，悬浮装置均包括夹板底座、电磁控制器、电磁装置和两块试样夹板。夹板底座的一侧平面上开设有移动槽，两块试样夹板安装于移动槽中，电磁控制器和电磁装置均安装于夹板底座的底部。操作平台上还设有夹式引伸计、加载端、拉压传感器、数据分析系统、伺服加载系统、信号采集装置、声发射传感器和固定件。本发明还公开了本系统的试验方法，通过使试样在平衡悬浮状态下的测量，可消除由于试样自重作用导致的试样底部与垫座接触面之间的摩擦力，故本试验系统可以更加合理精准地获得材料I型断裂特征。

Description

一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统及试验 方法
技术领域
本发明涉及材料I型断裂的力学性能检测技术领域，具体涉及一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统及试验方法。
背景技术
在常规垂直三点弯测试方法中，试样自重和施加的机械载荷的方向均在垂直方向，致使引起试样断裂的荷载不仅包含了机械荷载，还包含了试样自重，故需对试验结果进行合理地修正，如扣除由于自重引起的裂缝口张开位移等。对于土体等一些较软的材料而言，自重作用会导致初始预制裂缝发生起裂扩展现象，致使难以采用常规垂直三点弯测试方法获取土体等的I型断裂特性，故现在多用垂直四点弯试验装置及水平三点弯试验装置测定土体等的断裂特性。
对于水平三点弯试验而言，在水平方向上对试样施加机械荷载，由于机械荷载产生的效应与试样自重效应互不相关，故可以减轻试样自重对测试结果的影响。然而，在水平机械荷载的作用下，试样会发生一系列平动、扭转等位移，试样与操作台之间势必产生摩擦力，这些摩擦力的存在会直接影响到试验的准确性，即摩擦效应，特别是当材料自重比较大时，根据摩擦力的公式，这类摩擦力将不可忽视，故需要在试样的下表面处设置垫具，如普通垫板和滚轮装置等，以减轻试样与操作台之间的摩擦力，但是仍无法彻底消除摩擦效应对试验的影响。因此，针对水平三点弯试验，发明一种彻底消除由于试样自重引起的摩擦力的试验系统，并明确测试材料I型断裂性能的试验方法，具有重要的科研意义与应用价值。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统及试验方法。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，包括水平设置的操作平台，所述操作平台上安装有悬浮系统，所述悬浮系统包括水平的恒定磁力板和两组悬浮装置，所述悬浮装置均包括夹板底座、电磁控制器、电磁装置和两块相互平行的试样夹板，所述夹板底座的一侧平面上开设有移动槽，两块所述试样夹板可移动的安装于移动槽中，两块试样夹板在移动槽中相互对称，所述电磁控制器和电磁装置均安装于夹板底座的底部，且在工作状态下所述夹板底座通过电磁控制器和电磁装置悬浮于恒定磁力板上方；
所述操作平台上还设有夹式引伸计、固定件、加载端、拉压传感器、数据分析系统、伺服加载系统、信号采集装置和声发射传感器，所述固定件、数据分析系统、伺服加载系统、信号采集装置均与操作平台固定连接，所述夹式引伸计和声发射传感器均连通信号采集装置，所述拉压传感器安装在伺服加载系统上，且所述加载端安装在拉压传感器上，所述拉压传感器位于伺服加载系统和加载端之间，所述加载端、拉压传感器和伺服加载系统依次连通，且所述拉压传感器还连通信号采集装置，所述信号采集装置连通数据分析系统。
进一步的，所述夹板底座为长方形板。
进一步的，所述试样夹板垂直于夹板底座上移动槽所在的平面，且试样夹板平行于夹板底座的一侧侧壁。
进一步的，所述试样夹板置于移动槽中的长度小于夹板底座上与试样夹板平行的侧壁的长度。
进一步的，所述移动槽为长方形槽，所述移动槽的宽度等于试样夹板置于移动槽中的长度。
进一步的，所述固定件包括两个可进行移动的形状和结构均相同的固定柱，所述固定柱位于固定件的同一侧，所述固定柱均平行于操作平台，所述固定柱处于同一高度。
一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统的试验方法，包括如下步骤：
①取长方体的试样，在试样中间部位设置预制缝；
②将两组悬浮装置通过电磁控制器调节电磁装置的磁力从而悬浮于恒定磁力板上方，两组悬浮装置相互对称，两组悬浮装置的高度相同，且两组夹板底座同一侧的试样夹板处于同一竖直面，两组夹板底座之间预留有空间，两组夹板底座相互远离的端部的距离等于试样的长度；
③将试样放置在两组夹板底座上，且调节各悬浮装置上的试样夹板对试样进行夹持，试样的预制缝处于两组夹板底座之间预留空间的中部，且预制缝朝向固定件所在的一侧；
④设置固定件上两个固定柱的位置，两个固定柱位于试样的同一侧，两个固定柱抵住试样，并且加载端抵住试样的中间部位，加载端处于试样的与固定柱相对的一侧；
⑤将夹式引伸计安装于试样上与固定柱处于同一侧的侧壁上；
⑥将声发射传感器安装在试样上；
⑦将伺服加载系统调整为所需的加载模式，伺服加载系统推动加载端对试样施加荷载；
⑧信号采集装置自动接受来自拉压传感器和声发射传感器的信号流并且进行数据转化，信号采集装置将转化后的数据传输到数据分析系统，且伺服加载系统中的数据也直接传输到数据分析系统，进行试验后期的数据整理和分析。
本发明的有益效果为：
本发明可以有效消除水平三点弯试验中试样自重和其他方向上的摩擦力对试验的影响，使试样处于一个纯三点弯的试验环境中，最终测得的相关数据和试验结果也会更加准确。本发明在原先的普通三点弯试验系统的基础上进行改进，可以有效减少新发明的成本，只需要更新悬浮系统即可，其他部件如伺服加载系统、数据测量采集系统和数据分析系统等，只要不存在干扰悬浮系统产生稳定磁力的磁性部件，就可以直接沿用。如果原先的装置中存在磁性部件，但产生的磁性较弱，不足以干扰试样正常悬浮，试样在悬浮中不发生偏移和倾斜，则不需更换；若磁性部件产生的磁场会严重干扰试样的稳定悬浮，则需要进行部件的更换或是用其他设备替代。
附图说明
图1是本发明整体结构的立体示意图；
图2是本发明整体结构的俯视示意图；
图3是本发明中悬浮系统的主视结构示意图；
图4是本发明中悬浮系统的纵剖面结构示意图。
附图标记说明：
1-试样夹板、2-电磁控制器、3-试样、4-夹板底座、5-电磁装置、6-恒定磁力板、7-移动槽、11-操作平台、12-悬浮系统、13-夹式引伸计、14-固定件、15-加载端、16-拉压传感器、17-数据分析系统、18-伺服加载系统、19-信号采集装置、20-声发射传感器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，包括水平设置的操作平台11，操作平台11上安装有悬浮系统12。如图3至图4所示，悬浮系统12包括水平设置的恒定磁力板6和两组悬浮装置。悬浮装置均包括夹板底座4、电磁控制器2、电磁装置5和两块相互平行的试样夹板1，夹板底座4为长方形板，夹板底座4的一侧平面上开设有移动槽7，移动槽7为长方形槽。两块试样夹板1对称安装于移动槽7中，两块试样夹板1可在移动槽7中相对移动，且试样夹板1垂直于夹板底座4上移动槽7所在的平面，且试样夹板1平行于夹板底座4的一侧侧壁。试样夹板1置于移动槽7中的长度小于夹板底座4上与试样夹板1平行的侧壁的长度，移动槽7的宽度等于试样夹板1置于移动槽7中的长度。电磁控制器2和电磁装置5安装于夹板底座4的底部，在工作状态下夹板底座4可通过电磁控制器2和电磁装置5悬浮于恒定磁力板6上方，且此时夹板底座4上的试样夹板1所在的平面朝上。
如图1和图2所示，操作平台11上还设有夹式引伸计13、固定件14、加载端15、拉压传感器16、数据分析系统17、伺服加载系统18、信号采集装置19和声发射传感器20。固定件14、数据分析系统17、伺服加载系统18、信号采集装置19均与操作平台11固定连接，夹式引伸计13和声发射传感器20均连通信号采集装置19，拉压传感器16安装在伺服加载系统18上，且加载端15安装在拉压传感器16上，拉压传感器16位于伺服加载系统18和加载端15之间，加载端15、拉压传感器16和伺服加载系统18依次连通，且拉压传感器16还连通信号采集装置19，信号采集装置19连通数据分析系统17。
为了减小不必要的影响，本发明固定件14采用长杆，固定件14包括两个可进行移动的形状结构均相同的固定柱，固定柱位于固定件14的同一侧，固定柱处于同一高度，固定柱均平行于操作平台1，固定柱的长度也相同。
本发明恒定磁力板6各边长的尺寸均大于相对应的夹板底座4的各边长的尺寸，以保证试样3在受推力发生平移、转动时，夹板底座4能够时刻处于恒定磁力板6上的稳定磁力范围之内，使试样3在试验过程中时刻处于平衡悬浮的状态。
一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统的试验方法，包括如下步骤：
①取长方体的试样3，在试样3中间部位设置预制缝；
②将两组悬浮装置通过电磁控制器2调节电磁装置5的磁力从而悬浮于恒定磁力板6上方，此时夹板底座4平行于操作平台1，移动槽7所在的平面也平行于操作平台1。两组悬浮装置相互对称，两组悬浮装置的高度相同，且两组夹板底座4同一侧的试样夹板1处于同一竖直面，两组夹板底座4之间预留有空间，两组夹板底座4相互远离的端部的距离等于试样3的长度。
③将试样3放置在两组夹板底座4上，且调节各悬浮装置上的试样夹板1对试样3进行夹持，使试样3与试样夹板1不会发生相对位移，且试样3的预制缝处于两组夹板底座4之间预留空间的中部，预制缝朝向固定件14所在的一侧。
④设置固定件14上两个固定柱的位置，且固定件14平行于夹板底座4。两个固定柱位于试样3的同一侧，两个固定柱抵住试样3，可根据试样3尺寸和试验需求调整两处固定柱的间距。将加载端15抵住试样3的中间部位，且加载端15上抵住试样3的端部可设置有聚乙烯薄板，以防加载端15上抵住试样3的端部直接刺入试样，加载端15处于试样3的与固定柱相对的一侧。
⑤将夹式引伸计13安装于试样3上与固定柱处于同一侧的侧壁上。
⑥将声发射传感器20安装在试样3上，获取预制缝起裂及扩展过程。
⑦调节电磁控制器2使磁力足够用来平衡试样3，使试样3整体处于“平衡悬浮”状态，直到试样3不发生任何方向上的抖动或倾斜，正式开始三点弯试验的加载过程。将伺服加载系统18调整为需要的加载模式，如定位移加载模式或定荷载加载模式，推动加载端15慢慢对试样3施加荷载；
⑧信号采集装置19自动接受来自拉压传感器16和声发射传感器20的信号流并且进行数据转化，信号采集装置19将转化后的数据传输到数据分析系统17，且伺服加载系统18上中的所有数据也直接传输到数据分析系统17，进行试验后期的数据整理和分析。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，其特征在于：包括水平设置的操作平台(11)，所述操作平台(11)上安装有悬浮系统(12)，所述悬浮系统(12)包括水平的恒定磁力板(6)和两组悬浮装置，所述悬浮装置均包括夹板底座(4)、电磁控制器(2)、电磁装置(5)和两块相互平行的试样夹板(1)，所述夹板底座(4)的一侧平面上开设有移动槽(7)，两块所述试样夹板(1)可移动的安装于移动槽(7)中，两块试样夹板(1)在移动槽(7)中相互对称，所述电磁控制器(2)和电磁装置(5)均安装于夹板底座(4)的底部，且在工作状态下所述夹板底座(4)通过电磁控制器(2)和电磁装置(5)悬浮于恒定磁力板(6)上方；
所述操作平台(11)上还设有夹式引伸计(13)、固定件(14)、加载端(15)、拉压传感器(16)、数据分析系统(17)、伺服加载系统(18)、信号采集装置(19)和声发射传感器(20)，所述固定件(14)、数据分析系统(17)、伺服加载系统(18)、信号采集装置(19)均与操作平台(11)固定连接，所述夹式引伸计(13)和声发射传感器(20)均连通信号采集装置(19)，所述拉压传感器(16)安装在伺服加载系统(18)上，且所述加载端(15)安装在拉压传感器(16)上，所述拉压传感器(16)位于伺服加载系统(18)和加载端(15)之间，所述加载端(15)、拉压传感器(16)和伺服加载系统(18)依次连通，且所述拉压传感器(16)还连通信号采集装置(19)，所述信号采集装置(19)连通数据分析系统(17)。
2.如权利要求1所述的一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，其特征在于：所述夹板底座(4)为长方形板。
3.如权利要求2所述的一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，其特征在于：所述试样夹板(1)垂直于夹板底座(4)上移动槽(7)所在的平面，且试样夹板(1)平行于夹板底座(4)的一侧侧壁。
4.如权利要求3所述的一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，其特征在于：所述试样夹板(1)置于移动槽(7)中的长度小于夹板底座(4)上与试样夹板(1)平行的侧壁的长度。
5.如权利要求4所述的一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，其特征在于：所述移动槽(7)为长方形槽，所述移动槽(7)的宽度等于试样夹板(1)置于移动槽(7)中的长度。
6.如权利要求1所述的一种测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统，其特征在于：所述固定件(14)包括两个可进行移动的形状和结构均相同的固定柱，所述固定柱位于固定件(14)的同一侧，所述固定柱均平行于操作平台(1)，所述固定柱处于同一高度。
7.一种基于权利要求1-6所述测试材料I型断裂的悬浮式水平三点弯试验系统的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
①取长方体的试样(3)，在试样(3)中间部位设置预制缝；
②将两组悬浮装置通过电磁控制器(2)调节电磁装置(5)的磁力从而悬浮于恒定磁力板(6)上方，两组悬浮装置相互对称，两组悬浮装置的高度相同，且两组夹板底座(4)同一侧的试样夹板(1)处于同一竖直面，两组夹板底座(4)之间预留有空间，两组夹板底座(4)相互远离的端部的距离等于试样(3)的长度；
③将试样(3)放置在两组夹板底座(4)上，且调节各悬浮装置上的试样夹板(1)对试样(3)进行夹持，试样(3)的预制缝处于两组夹板底座(4)之间预留空间的中部，且预制缝朝向固定件(14)所在的一侧；
④设置固定件(14)上两个固定柱的位置，两个固定柱位于试样(3)的同一侧，两个固定柱抵住试样(3)，并且加载端(15)抵住试样(3)的中间部位，加载端(15)处于试样(3)的与固定柱相对的一侧；
⑤将夹式引伸计(13)安装于试样(3)上与固定柱处于同一侧的侧壁上；
⑥将声发射传感器(20)安装在试样(3)上；
⑦将伺服加载系统(18)调整为所需的加载模式，伺服加载系统(18)推动加载端(15)对试样(3)施加荷载；
⑧信号采集装置(19)自动接受来自拉压传感器(16)和声发射传感器(20)的信号流并且进行数据转化，信号采集装置(19)将转化后的数据传输到数据分析系统(17)，且伺服加载系统(18)中的数据也直接传输到数据分析系统(17)，进行试验后期的数据整理和分析。
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