CN109163982B - 一种热环境双向加载试验设备和试验方法 - Google Patents

Abstract

一种热环境双向加载试验设备和试验方法，属于材料在热环境和复杂加载下的力学性能测试技术领域。本发明的设备和方法用于对十字形试件进行光学散斑应变测量，包括机架、加热炉、四个拉伸装置、光源以及摄像头，拉伸装置的拉伸杆通过加热炉的壁孔伸入至加热炉的内部，从而使夹头位于加热炉的内部，致使试件在受到四个夹头的夹持下而处于加热炉内，当直线驱动机构驱动各拉伸杆直线运动，从而对试件进行拉伸，测力传感器设置在拉伸杆上，测量出试件所承受的拉力，可以实现对十字形试件在高温环境以及双向加载条件下力学性能的有效测试。

Description

一种热环境双向加载试验设备和试验方法

技术领域

一种热环境双向加载试验设备和试验方法，尤其涉及一种基于光学散斑应变测量方法的热环境双向加载试验设备和试验方法，属于材料在热环境和复杂加载下的力学性能测试技术领域。

背景技术

现今的板料成形是经过多次轧制所得到的，这样的生产方式导致板料通常是各向异性的。在研究高温下各向异性板料力学性能时以往的办法是采用不同方向上的单向拉伸试验。但是靠单向拉伸得到的材料应力应变曲线与承受复杂载荷的实际材料性能有一定的差距。此外，板料成形很多是在高温下进行的，而高温下金属材料具有明显不同于常温的力学性能，因此在研究板料力学性能时往往需要加上热温环境这一条件。在这种情况下，在复杂加载的双向拉伸试验机上加上热温环境成为该技术的关键点。

光学散斑应变方法与传统的应变片测量方法相比，具有精度高、能获取全场数据、操作简单和高温测试成本低等优点，是目前应变测量的普遍选择。

综上所述，本发明的目的是提供一种可以在热环境下进行复杂加载的平面内双向拉伸设备及应变测量方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，给出了一种可准确测定材料在高温环境和复杂加载条件下的力学性能的基于光学散斑应变测量技术的热环境双向加载试验设备和方法。

本发明的技术解决方案是：

一种热环境双向加载试验设备，用于对十字形试件进行光学散斑应变测量，包括：

机架，其包括工作台，以所述工作台为中心、呈十字形分布的四个侧支架以及光学测量支架；

加热炉，其设置于所述工作台上，所述加热炉的周向侧壁形成有四个壁孔，所述加热炉的顶壁设置有观察窗；

四个拉伸装置，分别设置在四个侧支架上，所述拉伸装置包括拉伸杆、夹头、测力传感器以及直线驱动机构，其中，所述拉伸杆以可相对所述侧支架做直线运动的方式设置于所述侧支架，所述拉伸杆的一端设置有用于夹持所述试件的一个臂的夹头，所述拉伸杆通过所述壁孔伸入至所述加热炉的内部，从而使所述夹头位于所述加热炉的内部，致使所述试件受到四个夹头的夹持而处于加热炉内，所述直线驱动机构连接至所述拉伸杆，以驱动所述拉伸杆直线运动，所述测力传感器设置于所述拉伸杆上，用于测量所述拉伸杆向所述试件施加的拉力，四个拉伸杆的直线运动路径以所述加热炉为中心，呈十字形分布；

光源，其通过所述光学测量支架设置于所述观察窗的上方，用于对所述加热炉的内部提供照明；

摄像头，其通过所述光学测量支架设置于所述观察窗的上方，用于采集位于所述加热炉内的试件中心区域的图像。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备，还包括：

温度控制系统，其连接至所述加热炉，用于控制所述加热炉的加热温度；

直线驱动机构控制系统，其连接至四个直线驱动机构，用于控制四个直线驱动机构工作；

数据处理系统，其连接至所述温度控制系统、所述直线驱动机构控制系统以及四个测力传感器，用于根据所述温度控制系统的温度信号向所述直线驱动机构控制系统输出控制信号，以使所述四个直线驱动机构驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，以对所述试件进行拉伸，以及用于根据所述试件中心区域的图像和每个测力传感器测量到的相应拉伸杆的拉力值进行所述试件的应力应变分析。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备中，

所述拉伸装置还包括位移传感器，所述位移传感器设置于所述拉伸杆的直线运动路径上，用于测量所述拉伸杆的直线运动距离；

所述数据处理系统用于接收为每个直线驱动机构预先设定的一个目标位移值，以及用于根据每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离向所述直线驱动机构控制系统输出控制信号，以使所述四个直线驱动机构同时且持续地驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，直至每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离达到相应的目标位移值。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备中，所述直线驱动机构为液压缸，所述直线驱动机构控制系统为液压控制系统。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备中，所述光学测量支架包括固定架和升降架，其中，所述固定架设置于所述工作台上，所述升降架以可升降的方式设置于所述固定架的上部，并受到所述固定架的支撑，位于所述加热炉的上方，所述升降架包括横梁，可滑动地设置在所述横梁上的滑动座以及设置在所述横梁的固定座，所述光源安装于所述滑动座上，所述摄像头安装在所述固定座上，一升降驱动机构设置于所述固定架，所述升降驱动机构连接至所述升降架，以驱动所述升降架升降，从而调节所述光源和所述摄像头的高度；所述加热炉的顶壁开设一开口，所述观察窗可拆卸地设置于所述开口上。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备中，所述夹头包括夹持部以及设置于所述夹持部顶部的配重块，以使所述夹头的重心保持在所述拉伸杆的上方；所述夹头的顶部设置有吊钩；所述夹持部的下部形成有由一横向部分和纵向部分连通而成的T形卡槽，且所述纵向部分的侧向开口形成在所述夹持部的与所述拉伸杆相近的一个侧面，所述T形卡槽的底面开口形成在所述夹持部的底面，所述拉伸杆的一端呈T形，所述拉伸杆的一端经由所述底面开口以及所述侧向开口进入所述T形卡槽，卡制于所述T形卡槽内。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备中，所述拉伸装置包括定位板和横向轴承，其中，所述定位板竖向设置，所述定位板的下端固定连接于所述侧支架和所述工作台，所述定位板开设有第四通孔，所述横向轴承固定于所述第四通孔的前侧，所述拉伸杆的另一端穿过所述横向轴承并受到所述横向轴承的支撑，延伸至所述定位板的后侧，所述拉伸杆的另一端连接至所述测力传感器。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备中，所述拉伸装置包括导轨和安装座，所述导轨设置于所述侧支架上，所述安装座的下端可滑动地设置于所述导轨，所述测力传感器安装于所述安装座的前侧面，所述安装座连接至所述直线驱动机构，所述位移传感器为包括光栅尺和光栅读数头的光栅尺位移传感器，所述光栅尺设置于所述侧支架上，且与所述导轨平行设置，所述光栅读数头设置于所述安装座的下部，在所述拉伸杆做直线运动的情况下，所述安装座沿着所述导轨做直线运动，从而使所述光栅尺位移传感器测量出所述拉伸杆的直线运动距离。

优选的是，所述的热环境双向加载试验设备中，所述加热炉为方形加热炉，具有四个侧壁，所述加热炉的每个侧壁与一个拉伸装置对应设置，所述加热炉的四个侧壁和底部均设置保温层，所述加热炉的每个侧壁设置有一个加热器，所述拉伸杆与每个壁孔之间的空隙用高温棉填充。

一种热环境双向加载试验方法，采用所述的设备进行光学散斑应变测量，包括以下步骤：

步骤一、在十字型试件的整个中心区域喷涂一层黑漆作为背景色，在黑漆之上喷涂多个白漆点，多个白漆点均匀分布以所述试件中心区域的中心为圆心的一个圆上；

步骤二、将所述试件的四个臂分别装夹在四个夹头上；

步骤三、控制所述加热炉的加热温度达到目标温度值；

步骤四、调节摄像头和光源位置，保证观测清晰度与亮度达到最佳状态；

步骤五、进行拉伸试验，试验过程中，控制所述四个直线驱动机构持续地驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，以对所述试件进行拉伸，利用每个测力传感器实时地采集相应拉伸杆的拉力值，同时利用所述摄像头每隔一定时间拍摄一张所述试件中心区域的图像作为试验图像；

步骤六、试验结束后，进行数据分析，具体过程包括：利用每个测力传感器实时采集的相应拉伸杆的拉力值得出所述拉伸试验中拉力随时间的变化规律；对比在一个时间段内多张试验图像中同一白漆点的位置变化量和移动方向，获取所述试件中心区域在该白漆点所在部位在该移动方向上应变随时间的变化规律，进而获取所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律；根据拉力随时间的变化规律以及所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律，推导出在目标温度值下所述试件的拉力与应变的关系。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明提供了一种热环境双向加载试验设备，包括机架、加热炉、四个拉伸装置、光源以及摄像头，拉伸装置的拉伸杆通过加热炉的壁孔伸入至加热炉的内部，从而使夹头位于加热炉的内部，致使试件在受到四个夹头的夹持下而处于加热炉内，当直线驱动机构驱动各拉伸杆直线运动，从而对试件进行拉伸，测力传感器设置在拉伸杆上，测量出试件所承受的拉力，光源和摄像头通过光学测量支架布置在观察窗的上方，光源用于对加热炉的内部提供照明，摄像头拍摄到即热炉内试件中心区域的图像，从而采集试件中心区域的应变情况，可以实现对十字形试件在高温环境以及双向加载条件下力学性能的有效测试。

(2)本发明提供了一种热环境双向加载试验方法，该方法先将十字型试件的整个中心区域喷涂黑漆以形成背景色，在黑漆之上再喷涂白漆点，多个白漆点均匀分布在以试件中心区域的中心为圆心的一个圆上；将试件的四个臂装夹在四个夹头上；将加热炉加热至目标温度值；之后进行拉伸试验，四个直线驱动机构工作，从而使四个拉伸杆逐渐对试件进行拉伸，试验时每个测力传感器采集各自拉伸杆的拉力值，同时利用摄像头每隔一定时间拍摄一张试件中心区域的图像作为试验图像；利用每个测力传感器实时采集的相应拉伸杆的拉力值得出拉力随时间的变化规律，再根据所拍摄的试验图像获取试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律，最终推导出在目标温度值下试件的拉力与应变的关系，可以实现对十字形试件在高温环境以及双向加载条件下力学性能的有效测试。

附图说明

图1为在一个实施例中热环境双向加载试验设备的结构示意图；

图2为在一个实施例中夹头的结构示意图；

图3为在一个实施例中夹持部T形卡槽的结构示意图；

图4为在一个实施例中拉伸装置和侧支架的结构示意图；

图5为在一个实施例中摄像头及光源安装示意图；图6为在一个实施例中温度控制系统的工作流程图；

图6为加热炉的温度控制系统的工作流程图；

图7为在一个实施例中数据处理系统和直线驱动机构控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1至图5所示，本发明提供了一种热环境双向加载试验设备，用于对十字形试件进行光学散斑应变测量，包括：机架，其包括工作台30，以所述工作台30为中心、呈十字形分布的四个侧支架以及光学测量支架；加热炉29，其设置于所述工作台30上，所述加热炉29的周向侧壁形成有四个壁孔，所述加热炉的顶壁设置有观察窗；四个拉伸装置，分别设置在四个侧支架上，所述拉伸装置包括拉伸杆15、夹头、测力传感器12以及直线驱动机构25，其中，所述拉伸杆15以可相对所述侧支架做直线运动的方式设置于所述侧支架，所述拉伸杆15的一端设置有用于夹持所述试件6的一个臂的夹头3，所述拉伸杆15通过所述壁孔伸入至所述加热炉29的内部，从而使所述夹头位于所述加热炉的内部，致使所述试件6受到四个夹头的夹持而处于加热炉内，所述直线驱动机构25连接至所述拉伸杆15，以驱动所述拉伸杆直线运动，所述测力传感器12设置于所述拉伸杆15上，用于测量所述拉伸杆15向所述试件施加的拉力，四个拉伸杆15的直线运动路径以所述加热炉29为中心，呈十字形分布；光源，其通过所述光学测量支架设置于所述观察窗的上方，用于对所述加热炉的内部提供照明；摄像头，其通过所述光学测量支架设置于所述观察窗的上方，用于采集位于所述加热炉内的试件中心区域的图像。

本发明提供了一种可以提供在热环境下进行双向加载试验的设备，用于对十字形试件进行光学散斑应变测量。试验时，试件的四个臂被分别夹持在四个拉伸装置的四个夹头上。通过加热炉对十字形试件进行加热，使其达到特定的加热温度；之后启动各直线驱动机构，在各直线驱动机构的驱动下，各拉伸杆向远离加热炉的方向做直线运动，四个拉伸杆的直线运动路径以加热炉为中心，呈十字形分布，从而实现对十字形试件的双向拉伸；伴随着拉伸的进行，测力传感器实时测量拉伸杆对试件施加的拉力值；在拉伸过程中，光源和摄像头通过光学测量支架被布置在加热炉观察窗上方，光源向加热炉的内部提供照明，摄像头则采集到试件中心区域的图像，作为对试件中心区域的应变情况进行解析的依据。本发明可以实现对十字形试件在高温环境以及双向加载条件下力学性能的有效测试。

在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备，还包括：温度控制系统，其连接至所述加热炉，用于控制所述加热炉的加热温度；直线驱动机构控制系统，其连接至四个直线驱动机构，用于控制四个直线驱动机构工作；数据处理系统，其连接至所述温度控制系统、所述直线驱动机构控制系统以及四个测力传感器，用于根据所述温度控制系统的温度信号向所述直线驱动机构控制系统输出控制信号，以使所述四个直线驱动机构驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，以对所述试件进行拉伸，以及用于根据所述试件中心区域的图像和每个测力传感器测量到的相应拉伸杆的拉力值进行所述试件的应力应变分析。

如图6所示，加热炉开启后，设定目标温度值(SP)，比较炉内温度(PV)和设定温度值，当炉内温度低于设定温度时通过PID调节和SCR电力控制，电阻丝电流上升，使炉内快速升温，当炉内温度到达设定温度后电阻丝电流下降，加热炉处于保温状态。

数据处理系统可以由PC机或者PLC实现。数据处理系统对温度控制系统、直线驱动机构控制系统进行统一的监视和控制，可以进一步提高本发明试验设备的测试效率和测试精度。

在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备中，所述拉伸装置还包括位移传感器，所述位移传感器设置于所述拉伸杆15的直线运动路径上，用于测量所述拉伸杆15的直线运动距离；所述数据处理系统用于接收为每个直线驱动机构预先设定的一个目标位移值，以及用于根据每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离向所述直线驱动机构控制系统输出控制信号，以使所述四个直线驱动机构同时且持续地驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，直至每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离达到相应的目标位移值。

拉伸试验时，数据处理系统通过位移传感器对拉伸杆的实际行程进行设定和控制。在每次拉伸试验中，拉伸杆的实际行程决定了其最终向试件所施加的拉力大小。因此，可以预先在数据处理系统中为每个直线驱动机构设定一个目标位移值，直线驱动机构在驱动拉伸杆直线运动时，位移传感器将拉伸杆的实际位移实时地反馈给数据处理系统，数据处理系统再向直线驱动机构控制系统输出控制信号，直到达到目标位移值。

在不同试件的尺寸不相同的情况下，在进行拉伸试验之前，还可以在数据处理系统内预设一个定位位移值。当试件尺寸较大时，为了实现对试件的夹持，各拉伸杆须向远离加热炉的方向移动，并且各拉伸杆的最终直线移动距离须保证试件的中心区域处于观察窗的下方，以方便摄像头采集试验图像。当试件的尺寸较小时，则各拉伸杆须向靠近加热炉的方向移动，并且各拉伸杆的最终直线移动距离须保证试件的中心区域处于观察窗的下方。在采用具有统一尺寸的试件的情况下，不需要对在拉伸试验之前，对拉伸杆的位置进行调整。

在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备中，所述直线驱动机构25为液压缸，所述直线驱动机构控制系统为液压控制系统。

液压缸作为直线驱动机构，通过高压管路与油箱连接，伺服阀安装在液压缸上端。工作状态下油压通过高压管路从油箱进入液压缸。数字控制器连接位移传感器和伺服阀。

如图7所示，在PC(即数据处理系统)中设定好目标位移值后采用位移传感器读取位移信号，通过数字控制器实现模拟信号和数字信号转换，将位移传感器所采集的实际位移值输入给PC机或PLC。PC机对比输入值和设定值后，如不符合条件则PLC将伺服阀电压控制信号输出到数字控制器中，将数字信号转换为模拟信号后再输入到伺服阀以控制液压缸继续驱动拉伸杆行进，以使拉伸杆的实际位移达到目标位移值。

基于该液压控制系统，还可以对拉伸杆的行进速度进行控制。可以预先在PC机中对目标速度值进行设定，位移传感器所采集的实际位移值通过数字控制器实现模拟信号和数字信号转换，输入给PC机或PLC。PC机根据实际位移值计算拉伸杆的行进速度值，并将行进速度值与目标速度值进行对比，如不符合条件则PLC将伺服阀电压控制信号输出到数字控制器中，将数字信号转换为模拟信号后再输入到伺服阀以控制液压缸的开口和液压流量大小来实现对拉伸杆速度的控制。

在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备中，所述光学测量支架包括固定架和升降架39，其中，所述固定架设置于所述工作台30上，所述升降架39以可升降的方式设置于所述固定架的上部，并受到所述固定架的支撑，位于所述加热炉29的上方，所述升降架39包括横梁41，可滑动地设置在所述横梁41上的滑动座45以及设置在所述横梁的固定座44，所述光源42安装于所述滑动座上，所述摄像头43安装在所述固定座上，一升降驱动机构25设置于所述固定架，所述升降驱动机构连接至所述升降架，以驱动所述升降架升降，从而调节所述光源和所述摄像头的高度；所述加热炉29的顶壁开设一开口，所述观察窗可拆卸地设置于所述开口上。。

光学测量支架包括固定架和升降架。其中，固定架包括围绕加热炉设置的多个支撑轴32，支撑轴的下端连接至工作台，一个顶板27连接至支撑轴的上端，受到多个支撑轴的支撑，位于加热炉的上方，升降驱动机构25安装在顶板上，升降驱动机构25的动力输出部件连接至支架杆33，以便于驱动升降架升降。升降驱动机构可以采用液压缸。升降驱动机构可以连接至液压控制系统，受液压控制系统的统一控制。液压控制系统再根据数据处理系统所输入的指令控制升降驱动机构工作。具体地，可以在数据处理系统内输入升降位移，升降驱动机构根据液压控制系统的控制指令而驱动升降架升降，将光源和摄像头调节至合适的高度。

升降架39中，支架杆33的上端连接至升降驱动机构，下端通过螺栓连接至横梁41，横梁开设有沿其长度方向延伸的长条形贯通槽。滑动座45包括一对L形宽板，L形宽板包括第一横向部分和第一竖向部分，一对L形宽板的第一竖向部分彼此间隔开一定距离，光源42装设在一对第一竖向部分之间，一对第一横向部分分别向两侧延伸，一个垫片40设置在贯通槽的上方，一螺栓依次穿过垫片和第一横向部分上的紧固孔，将螺栓松开，即可以调节滑动座在横梁上的横向位置，待调节至合适的位置，再将螺栓拧紧。可以根据需要增加滑动座的个数，以增加光源的个数。

固定座44包括一L形条形板，L形条形板包括第二横向部分和第二竖向部分，第二横向部分通过螺栓固定连接至横梁，大概位于横梁的中间位置。摄像头43安装在固定座44上。

图1中工作台30中心位置设置有定位孔，加热炉29通过定位孔安装在工作台上。加热炉29上方的炉盖28中间设置有一个开口，观测窗设置在该开口处，摄像头和光源则通过光学测量支架设置在观察窗的上方，摄像头在观测窗上方记录试验过程。

当将光学测量支架拆卸下来，将观察窗从该开口处卸下，可以将升降驱动机构的动力输出部件连接至压杆，将压杆通过开口伸入至加热炉的内部，从而进行热环境下的材料回弹试验。本实施例提高了本发明所述的试验设备应用上的方便程度，扩大了其使用范围。

如图2和图3所示，在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备中，所述夹头包括夹持部8以及设置于所述夹持部顶部的配重块2，以使所述夹头3的重心保持在所述拉伸杆15的上方，避免试件发生变形；所述夹头3的顶部设置有吊钩1；所述夹持部8的下部形成有由一横向部分36和纵向部分37连通而成的T形卡槽35，且所述纵向部分的侧向开口形成在所述夹持部的与所述拉伸杆相近的一个侧面，所述T形卡槽的底面开口形成在所述夹持部的底面，所述拉伸杆15的一端呈T形，所述拉伸杆的一端经由所述底面开口以及所述侧向开口进入所述T形卡槽，卡制于所述T形卡槽内。

进行拉伸试验之前，先将试件的四个臂分别装夹在四个夹头上；之后将加热炉的炉盖打开，使用绳子与夹头顶部吊钩配合，将试件从上向下逐渐放入加热炉内，并且在下放的过程中，将夹持部的下部的T形卡槽与拉伸杆的一端对齐，直至拉伸杆的一端完全卡入T形卡槽内。基于此，拉伸杆可以向夹头施加拉力，夹头与拉伸杆不会彼此脱离，连接稳定。

所述夹持部8包括夹持块34、定位螺栓9、一对紧固螺母9以及一对垫块5，7，其中，所述夹持块34形成有横置的U型钳口38以及贯通所述U型钳口的第一通孔，一对垫块5，7设置于所述U型钳口38内以将所述试件6的一个臂夹持于其间，所述垫块形成有第二通孔，所述定位螺栓贯穿所述第一通孔、所述第二通孔以及形成在所述臂上的第三通孔，所述定位螺栓9的两端延伸至所述夹持块34的上方和下方，分别通过一对紧固螺母4紧固。定位螺栓起到对垫块和试件进行定位的作用。试件的一个臂通过垫块的自身重力压住，防止试件在拉伸过程中发生翘曲。

对试件进行装夹时，先将垫片和定位螺栓装进U形钳口内，两个垫片带滚花的面相对；将试件的臂放入两个垫片之间，定位螺栓穿过第一通孔、第二通孔和试件的臂上的第三通孔；用内六角扳手从夹持块的外部上紧定位螺栓。

夹头采用CrWMn材料，保证在试验状态下不会发生氧化和变形。

如图4所示，在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备中，所述拉伸装置包括定位板19和横向轴承14，其中，所述定位板19竖向设置，所述定位板19的下端固定连接于所述侧支架和所述工作台30，所述定位板19开设有第四通孔，所述横向轴承14固定于所述第四通孔的前侧，所述拉伸杆15的另一端穿过所述横向轴承14并受到所述横向轴承的支撑，延伸至所述定位板19的后侧，所述拉伸杆的另一端连接至所述测力传感器12。

横向轴承为拉伸杆提供支撑，同时也对拉伸杆进行定位，保证拉伸杆与加热炉的壁孔对齐。

定位板的下端连接有固定板，固定板的一部分通过螺栓固定连接至侧支架，另一端通过螺栓固定连接至工作台。定位板的前后侧面再设置竖向的定位板加强筋13，以增强定位板的结构强度，避免其失稳变形。

在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备中，所述拉伸装置包括导轨24和安装座11，所述导轨24设置于所述侧支架上，所述安装座11的下端可滑动地设置于所述导轨24，所述测力传感器12安装于所述安装座11的前侧面，所述安装座11连接至所述直线驱动机构25，所述位移传感器为包括光栅尺20和光栅读数头的光栅尺位移传感器，所述光栅尺20设置于所述侧支架上，且与所述导轨24平行设置，所述光栅读数头设置于所述安装座11的下部，在所述拉伸杆15做直线运动的情况下，所述安装座11沿着所述导轨做直线运动，从而使所述光栅尺位移传感器测量出所述拉伸杆的直线运动距离。

优选地，将安装座11设计成上部宽而下部窄的T型块。测力传感器12连接在T型块的上部，T型块的下端可滑动地连接至导轨，T型块的后端面(即背对加热炉的那一面)安装有联轴器10，联轴器再连接至液压缸的活塞杆。当液压缸输出驱动力，T型块沿着导轨滑动，从而使拉伸杆沿着导轨的方向直线运动。光栅读数头设置在T型块上部的下端面，光栅尺与导轨平行设置，且位于T型块上部的下端面的下方，从而使光栅读数头正好位于光栅尺的上方。随着T型块的移动，光栅读书头相对于光栅尺移动，光栅尺位移传感器测量出拉伸杆的直线运动距离。

安装座连接测力传感器和位移传感器，测力传感器设置在安装座的前侧面，即在靠近加热炉的一侧，避免由安装座与导轨之间的摩擦力影响测力传感器的测量精度。

测力传感器优选采用轮辐式测力传感器。

在侧支架的后侧还安装有支撑座，支撑座23的上部安装液压缸，下方有定位导轨24用的安装孔。导轨24、光栅尺20和支撑座23在安装板22上。支撑座23的前端设有上加强筋26，支撑座下加强筋21焊接在侧板16上，侧板16下端安装了底板18和地脚17用于调平。侧支架之间采用加强筋31相互连接以增加整体刚度。

在一个优选的实施例中，所述的热环境双向加载试验设备中，所述加热炉29为方形加热炉，具有四个侧壁，所述加热炉的每个侧壁与一个拉伸装置对应设置，所述加热炉的四个侧壁和底部均设置保温层，所述加热炉的每个侧壁设置有一个加热器，所述拉伸杆与每个壁孔之间的空隙用高温棉填充。

加热炉底部及四周采用陶瓷纤维板保温材料制作保温层。加热炉的四个侧壁埋设电阻式加热丝，用以保证加热炉内部温度控制均匀性。加热炉的底面不设置温控区，只布置保温层。加热炉底盖与炉体间采用螺纹连接。拉伸杆从加热炉四个壁孔穿入，壁孔与拉伸杆之间用高温棉隔热，防止加热炉加热时热量从壁孔流失，保证了工作状态下外部机架及电子元件保持常温，不会因过热而损坏。加热炉的炉盖28上的观测窗采用石英玻璃制成，观察窗密封装设在炉盖上的开口处。

在一个实施例中，本发明还提供了一种热环境双向加载试验方法，采用所述的设备进行光学散斑应变测量，包括以下步骤：

步骤一、在十字型试件的整个中心区域喷涂一层黑漆作为背景色，在黑漆之上喷涂多个白漆点，多个白漆点均匀分布以所述试件中心区域的中心为圆心的一个圆上；

步骤二、将所述试件的四个臂分别装夹在四个夹头上；

步骤三、控制所述加热炉的加热温度达到目标温度值；

步骤四、调节所述摄像头和所述光源的位置，从而使所述摄像头所采集的试件中心区域的图像清晰度与亮度达到最佳状态；

步骤五、进行拉伸试验，试验过程中，控制所述四个直线驱动机构持续地驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，以对所述试件进行拉伸，利用每个测力传感器实时地采集相应拉伸杆的拉力值，同时利用所述摄像头每隔一定时间拍摄一张所述试件中心区域的图像作为试验图像；

步骤六、试验结束后，进行数据分析，具体过程包括：利用每个测力传感器实时采集的相应拉伸杆的拉力值得出所述拉伸试验中拉力随时间的变化规律；对比在一个时间段内多张试验图像中同一白漆点的位置变化量和移动方向，获取所述试件中心区域在该白漆点所在部位在该移动方向上应变随时间的变化规律，进而获取所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律；根据拉力随时间的变化规律以及所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律，推导出在目标温度值下所述试件的拉力与应变的关系。

本发明可以实现对十字形试件在高温环境以及双向加载条件下力学性能的有效测试。

在一个优选的实施例中，本发明还提供了一种热环境双向加载试验方法，采用所述的设备进行光学散斑应变测量，包括以下步骤：

步骤一、将十字型试件的正面朝上，在十字型试件的整个中心区域喷涂一层黑漆作为背景色，在黑漆之上喷涂多个白漆点，多个白漆点均匀分布以所述试件中心区域的中心为圆心的一个圆上。

步骤二、将所述试件的四个臂分别装夹在四个夹头上。

步骤三、在所述数据处理系统中为每个直线驱动机构预先设定一个目标位移值；

步骤四、在所述温度控制系统中预先设定一个目标温度值，利用所述温度控制系统控制所述加热炉的加热温度达到所述目标温度值；

步骤五、通过升降驱动机构驱动升降架的升降，来调节光源和摄像头的高度；通过改变滑动座在横梁上的位置来调节光源的横向位置，最终使所述摄像头所采集的试件中心区域的图像清晰度与亮度达到最佳状态；

步骤六、进行拉伸试验，试验过程中，利用所述数据处理系统根据每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离向所述直线驱动机构控制系统输出控制信号，再利用所述直线驱动机构控制系统控制所述四个直线驱动机构同时且持续地驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，以对所述试件进行拉伸，直至每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离达到相应的目标位移值；试验过程中，利用每个测力传感器实时地采集相应拉伸杆的拉力值，同时利用所述摄像头每隔一定时间拍摄一张所述试件中心区域的图像作为试验图像；

步骤七、试验结束后，利用所述数据处理系统进行数据分析，具体过程包括：利用每个测力传感器实时采集的相应拉伸杆的拉力值得出所述拉伸试验中拉力随时间的变化规律；对比在一个时间段内多张试验图像中同一白漆点的位置变化量和移动方向，获取所述试件中心区域在该白漆点所在部位在该移动方向上应变随时间的变化规律，进而获取所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律；根据拉力随时间的变化规律以及所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律，推导出在目标温度值下所述试件的拉力与应变的关系。

本发明进一步实现了对十字形试件在高温环境以及双向加载条件下力学性能的有效测定，提高了拉伸试验的精确度和测试效率。

优选地，该试验方法包括：

步骤一、将试件所需测量的正面朝上，在十字型试件的整个中心区域喷涂一层黑漆作为背景色，在黑漆之上喷涂多个白漆点，多个白漆点均匀分布以所述试件中心区域的中心为圆心的一个圆上。

步骤二、将垫片和定位螺栓装进夹头的U形钳口内，两个垫片带滚花的面相对。将十字形试件的十字臂放入两个垫片之间，通过U形钳口与定位螺栓定位。用内六角扳手从U形钳口外部上紧紧固螺钉，压住垫片和试件。

步骤三、启动液压泵、加热炉和PC机电源，进入PC机液压程序控制界面，液压阀采用自动控制模式，输入拉伸轴位移行程、试件尺寸和试验编号等相关信息。

步骤四、把安装了试件的夹头装在加热炉内的拉伸杆上，拉伸杆前端呈横置的T字型，与夹头底部形成配合。

步骤五、关闭加热炉的炉盖，将石英玻璃放置在炉盖中间的开口处。调整好加热炉外的平行光源的位置和亮度；将摄像头连接至PC机，调整摄像头水平位置，保证试件中心区域可以被记录下来；调整摄像头焦距保证记录图像的清晰度。

步骤六、设定加热炉四个加热区温度，当加热炉内温度到达指定温度后保温5到10分钟以保证试件温度分布均匀。

步骤七、启动拉伸试验，试验开始后，试件在拉力作用下发生变形。

步骤八、拉伸试验结束后，收集摄像头采集的图像和轮辐式测力传感器采集到的拉力-时间曲线。

步骤九、在记录的试验图像中，通过黑白漆的对比，以某个位移方向为基础，在试件中心区域范围取得一定数量的白漆点，每个白色漆点有一个特定的灰度值(-255～255)。

步骤十、在接下来的一系列图片中通过该灰度值获得该白色漆点的位置，以此得到该白色漆点的位移和应变量。求得白色漆点应变量的平均值后，可获得中心区域在该时间段某一位移方向上的应变与时间的关系。同理可以得到中心区域整个实验过程中各个方向上的应变-时间曲线。

步骤十一：将拉力-时间曲线与应变-时间曲线对应，得到所须的拉力-应变曲线。

步骤十二：关闭加热炉，待其冷却至常温后取下石英玻璃和摄像头，卸下夹头和试件。

步骤十三：控制液压缸回程至初始位置并关闭电源。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种热环境双向加载试验设备，其特征在于，用于对十字形试件进行光学散斑应变测量，包括：

机架，其包括工作台，以所述工作台为中心、呈十字形分布的四个侧支架以及光学测量支架；

加热炉，其设置于所述工作台上，所述加热炉的周向侧壁形成有四个壁孔，所述加热炉的顶壁设置有观察窗；

四个拉伸装置，分别设置在四个侧支架上，所述拉伸装置包括拉伸杆、夹头、测力传感器以及直线驱动机构，其中，所述拉伸杆以可相对所述侧支架做直线运动的方式设置于所述侧支架，所述拉伸杆的一端设置有用于夹持所述试件的一个臂的夹头，所述拉伸杆通过所述壁孔伸入至所述加热炉的内部，从而使所述夹头位于所述加热炉的内部，致使所述试件受到四个夹头的夹持而处于加热炉内，所述直线驱动机构连接至所述拉伸杆，以驱动所述拉伸杆直线运动，所述测力传感器设置于所述拉伸杆上，用于测量所述拉伸杆向所述试件施加的拉力，四个拉伸杆的直线运动路径以所述加热炉为中心，呈十字形分布；

光源，其通过所述光学测量支架设置于所述观察窗的上方，用于对所述加热炉的内部提供照明；

摄像头，其通过所述光学测量支架设置于所述观察窗的上方，用于采集位于所述加热炉内的试件中心区域的图像；

所述夹头包括夹持部以及设置于所述夹持部顶部的配重块，以使所述夹头的重心保持在所述拉伸杆的上方；所述夹头的顶部设置有吊钩；所述夹持部的下部形成有由一横向部分和纵向部分连通而成的T形卡槽，且所述纵向部分的侧向开口形成在所述夹持部的与所述拉伸杆相近的一个侧面，所述T形卡槽的底面开口形成在所述夹持部的底面，所述拉伸杆的一端呈T形，所述拉伸杆的一端经由所述底面开口以及所述侧向开口进入所述T形卡槽，卡制于所述T形卡槽内。

2.如权利要求1所述的热环境双向加载试验设备，其特征在于，还包括：

温度控制系统，其连接至所述加热炉，用于控制所述加热炉的加热温度；

直线驱动机构控制系统，其连接至四个直线驱动机构，用于控制四个直线驱动机构工作；

数据处理系统，其连接至所述温度控制系统、所述直线驱动机构控制系统以及四个测力传感器，用于根据所述温度控制系统的温度信号向所述直线驱动机构控制系统输出控制信号，以使所述四个直线驱动机构驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，以对所述试件进行拉伸，以及用于根据所述试件中心区域的图像和每个测力传感器测量到的相应拉伸杆的拉力值进行所述试件的应力应变分析。

3.如权利要求2所述的热环境双向加载试验设备，其特征在于，

所述拉伸装置还包括位移传感器，所述位移传感器设置于所述拉伸杆的直线运动路径上，用于测量所述拉伸杆的直线运动距离；

所述数据处理系统用于接收为每个直线驱动机构预先设定的一个目标位移值，以及用于根据每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离向所述直线驱动机构控制系统输出控制信号，以使所述四个直线驱动机构同时且持续地驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，直至每个位移传感器实时测量的相应拉伸杆的直线运动距离达到相应的目标位移值。

4.如权利要求3所述的热环境双向加载试验设备，其特征在于，所述直线驱动机构为液压缸，所述直线驱动机构控制系统为液压控制系统。

5.如权利要求1所述的热环境双向加载试验设备，其特征在于，所述光学测量支架包括固定架和升降架，其中，所述固定架设置于所述工作台上，所述升降架以可升降的方式设置于所述固定架的上部，并受到所述固定架的支撑，位于所述加热炉的上方，所述升降架包括横梁，可滑动地设置在所述横梁上的滑动座以及设置在所述横梁的固定座，所述光源安装于所述滑动座上，所述摄像头安装在所述固定座上，一升降驱动机构设置于所述固定架，所述升降驱动机构连接至所述升降架，以驱动所述升降架升降，从而调节所述光源和所述摄像头的高度；所述加热炉的顶壁开设一开口，所述观察窗可拆卸地设置于所述开口上。

6.如权利要求3所述的热环境双向加载试验设备，其特征在于，所述拉伸装置包括定位板和横向轴承，其中，所述定位板竖向设置，所述定位板的下端固定连接于所述侧支架和所述工作台，所述定位板开设有第四通孔，所述横向轴承固定于所述第四通孔的前侧，所述拉伸杆的另一端穿过所述横向轴承并受到所述横向轴承的支撑，延伸至所述定位板的后侧，所述拉伸杆的另一端连接至所述测力传感器。

7.如权利要求6所述的热环境双向加载试验设备，其特征在于，所述拉伸装置包括导轨和安装座，所述导轨设置于所述侧支架上，所述安装座的下端可滑动地设置于所述导轨，所述测力传感器安装于所述安装座的前侧面，所述安装座连接至所述直线驱动机构，所述位移传感器为包括光栅尺和光栅读数头的光栅尺位移传感器，所述光栅尺设置于所述侧支架上，且与所述导轨平行设置，所述光栅读数头设置于所述安装座的下部，在所述拉伸杆做直线运动的情况下，所述安装座沿着所述导轨做直线运动，从而使所述光栅尺位移传感器测量出所述拉伸杆的直线运动距离。

8.如权利要求1所述的热环境双向加载试验设备，其特征在于，所述加热炉为方形加热炉，具有四个侧壁，所述加热炉的每个侧壁与一个拉伸装置对应设置，所述加热炉的四个侧壁和底部均设置保温层，所述加热炉的每个侧壁设置有一个加热器，所述拉伸杆与每个壁孔之间的空隙用高温棉填充。

9.一种热环境双向加载试验方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任一项所述的设备进行光学散斑应变测量，包括以下步骤：

步骤一、在十字型试件的整个中心区域喷涂一层黑漆作为背景色，在黑漆之上喷涂多个白漆点，多个白漆点均匀分布以所述试件中心区域的中心为圆心的一个圆上；

步骤二、将所述试件的四个臂分别装夹在四个夹头上；

步骤三、控制所述加热炉的加热温度达到目标温度值；

步骤四、调节所述摄像头和所述光源的位置，从而使所述摄像头所采集的试件中心区域的图像清晰度与亮度达到最佳状态；

步骤五、进行拉伸试验，试验过程中，控制所述四个直线驱动机构持续地驱动四个拉伸杆向远离所述加热炉的方向做直线运动，以对所述试件进行拉伸，利用每个测力传感器实时地采集相应拉伸杆的拉力值，同时利用所述摄像头每隔一定时间拍摄一张所述试件中心区域的图像作为试验图像；

步骤六、试验结束后，进行数据分析，具体过程包括：利用每个测力传感器实时采集的相应拉伸杆的拉力值得出所述拉伸试验中拉力随时间的变化规律；对比在一个时间段内多张试验图像中同一白漆点的位置变化量和移动方向，获取所述试件中心区域在该白漆点所在部位在该移动方向上应变随时间的变化规律，进而获取所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律；根据拉力随时间的变化规律以及所述试件中心区域在各个方向上的应变随时间的变化规律，推导出在目标温度值下所述试件的拉力与应变的关系。

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