CN109540667A - 一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了材料力学领域中的一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置。包括工作台，工作台上放置有电机，工作台上设有固定板，固定板外包裹有加热装置，电机和固定板之间依次连接有径向推拉装置和限位自锁装置和锁止件；还包括圆盘和由电机驱动的转轴，转轴的轴向方向根据距离电机的从远到近依次设有转臂和锚臂，且转臂与锚臂相互错开，转臂接触有转轨，转轨位于圆盘内圈，圆盘内圈还设有与锚臂滑动适配的槽块，限位自锁装置包括左向倾斜板和右向倾斜板，右向倾斜板与锁止件固定连接，左向倾斜板与右向倾斜板之间连接有简谐装置。本装置利用加热装置和简谐装置的共同作用下，从而测量或评估材料在苛刻环境下的耐腐蚀、抗氧化性能。

Description

一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置

技术领域

本发明属于材料力学领域，具体是一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置。

背景技术

通常情况下，在实验室对标准材料进行性能测试，主要是给试件施加周期性的载荷，例如，旋转弯曲、悬臂弯曲、轴向推拉以及扭转循环，材料在承受复杂应力的情况下也承受着例如腐蚀、氧化等的考验，如何模拟该类复杂应力环境，从而测量或评估材料在苛刻环境下的耐腐蚀、抗氧化等或其他性能。将通过此类测试获得的数据绘制到图表上，得出每类应力与导致失效的周期重复次数之间的关系，这种关系曲线称为S-N曲线(沃特曲线)。实验人员可以从S-N曲线中得出在特定周期下材料可以承受的应力水平。同时，还可以得到疲劳极限、寿命曲线等信息。

截止目前为止，国内外对性能测试的研究可归纳为三类：一是利用原位拉伸测试仪器实现的较低频率加载的低周性能测试；二是利用液压驱动技术实现的对块体材料的大行程性能测试，但其加载频率有限；三是CCD下基于压电驱动技术的微尺度构件的高频性能测试。上述方法因结构较大、相应频率不足、存在机械惯性以及放大倍率不足等因素，限制了测试人员对疲劳损伤机制的深入研究，且上述装置几乎不涉及不规则的波动力对材料的影响。

由于材料及其制品的疲劳失效往往归因于复杂的应力状态和温度环境，且大部分材料受力是处于波动状态且不断变化的，因此，设计一种模拟复杂波动环境下对材料进行性能测试的装置十分必要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种模拟复杂波动环境下，对材料进行性能测试的装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，

一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，包括工作台，工作台上放置有电机，工作台上设有固定板，固定板外包裹有加热装置，加热装置与固定板的重合处设有耐热密封垫，加热装置内设有红外辐射加热管，所述电机和固定板之间依次连接有径向推拉装置、限位自锁装置和用于固定材料的锁止件；

还包括圆盘和由电机驱动的转轴，圆盘与工作台转动连接，转轴的轴向方向根据距离电机的从远到近依次设有转臂和锚臂，且转臂与锚臂相互错开，转臂接触有转轨，转轨位于圆盘内圈，圆盘内圈还设有与锚臂滑动适配的槽块，所述槽块的数量至少为2，且槽块围绕圆盘的圆心形成圆形矩阵；

所述限位自锁装置包括左向倾斜板和第一翘板，左向倾斜板与径向推拉装置固定连接，所述第一翘板底部开有弧形槽，弧形槽内适配有与第一翘板形状相同的第二翘板，第二翘板固定连接有右向倾斜板，右向倾斜板与锁止件固定连接，左向倾斜板与右向倾斜板之间连接有简谐装置；所述第一翘板和第二翘板都与工作台转动连接。

名词解释：锚臂，形状像船锚一样的转动臂。

本发明技术原理如下：

当启动电机时，电机带动转轴旋转，此时与转轴同轴连接的转臂和锚臂开始带动圆盘间隙式转动，因为转臂与锚臂相互错开，所以当转臂与转轨接触时，转臂在转轨中滑动，此时圆盘保持静止，直至锚臂与槽块重新接触。

当转臂与圆盘中的槽块相互接触时，转臂与槽块处于摩擦连接状态，此时转臂依靠与槽块之间产生的摩擦力带动圆盘旋转，此时圆盘转动。圆盘转动后依次带动径向推拉装置和左向倾斜板运动，此时至少产生三种运动情况。

第一种，左向倾斜板拉伸简谐装置，拉伸后的简谐装置拉动右向倾斜板运动，直至与右向倾斜板固定连接的第二翘板滑落至第一翘板的弧形槽内，此时左向倾斜板与右向倾斜板完成适配连接，整个限位自锁装置完成单向锁定，左向倾斜板与右向倾斜板的相对距离不会发生变化，当锚臂与槽块尚未脱离接触时径向推拉装置依旧对限位自锁装置提供拉伸力，因为限位自锁装置已经完成单向锁定，所以此时限位自锁装置不动且将力矩传递给锁止件，锁止件将物料拉伸。

第二种，左向倾斜板压缩简谐装置，左向倾斜板压缩简谐装置，压缩后的简谐装置推动右向倾斜板运动，直至与左向倾斜板固定连接的第一翘板滑落至第二翘板的弧形槽内，此时左向倾斜板与右向倾斜板完成适配连接，整个限位自锁装置完成单向锁定，左向倾斜板与右向倾斜板的相对距离不会发生变化，当锚臂与槽块尚未脱离接触时径向推拉装置依旧对限位自锁装置提供拉压缩力，因为限位自锁装置已经完成单向锁定，所以此时限位自锁装置不动且将力矩传递给锁止件，锁止件将物料挤压。

第三种，简谐装置作为主动副，简谐装置处于拉伸状态时，简谐装置产生回复力，当转臂与槽块脱离接触的瞬间，简谐装置产生简谐运动，此时简谐装置挤压右向倾斜板，因为简谐运动的特点，第一次产生的回复力与受到拉伸时的力矩大小相等，方向相反，此时右向倾斜板的第二翘板脱离与第一翘板弧形槽的适配连接，右向倾斜板依次挤压锁止件和待测量材料。当简谐装置处于压紧状态时运动方式与上述相反。

采用本装置后产生如下有益效果：

1、利用加热装置和简谐装置的共同作用下，从而测量或评估材料在苛刻环境下的耐腐蚀、抗氧化性能。

2、圆盘受周向力后产生间歇运动，此时简谐装置不停的震荡，模拟了波动环境下对材料进行性能测试。

3、限位自锁装置为自动的单向锁定装置，节省了人力成本且本装置利用简谐运动的特性自动解锁。

4、限位自锁装置的单向自锁性，保证了简谐装置在拉动或挤压待测材料运动时不需达到最大弹性限度，且当简谐装置在进行简谐运动时将产生的力矩传递给待测材料。

进一步，所述简谐装置包括拉簧，拉簧固定连接于左向倾斜板与右向倾斜板之间，拉簧外部包裹有壳体，壳体表面开有槽口，槽口两侧标有距离刻度，且槽口内间隙配合有浮标，所述浮标与拉簧固定连接。采用本技术方案时，无论拉簧被挤压、拉伸或震荡，都可以通过胡克定律计算出此时待测材料受到的力矩，节省了成本，提高了实验的准确度。

进一步，所述径向推拉装置包括转动杆、从动杆、横轴和滑块，所述转动杆固定连接于圆盘，转动杆与从动杆铰接，所述滑块一端通过横轴固定连接左向倾斜板，滑块另一端通过从动杆连接转动杆，滑块外端包裹有框体，框体表面开有用于横轴移动的开口，开口的宽度小于滑块的宽度。圆盘在转动的过程中带动转动杆转动，当转动杆与圆盘的连接点位于圆盘左侧时，转动杆拉伸从动杆，滑块向左侧滑动，且滑块拉动左向倾斜板。当转动杆与圆盘的连接点位于圆盘右侧时，转动杆挤压从动杆，滑块向右侧滑动，且滑块压缩左向倾斜板。此时利用圆盘的周向运动实现了滑块进行往复的推拉运动，同时因为框体的设置，框体吸收了滑块受到的竖直方向力，保证了滑块的运动状态，减少了有害力。

进一步，所述框体的内侧采用光滑材料。减少框体与滑块之间的有害摩擦，提高了实验的精度。

进一步，所述径向推拉装置包括内齿轮、摇臂、底座、连杆和带有竖向开口的十字轴，内齿轮的径向表面设有一组相互对称的锁环，内齿轮中啮合有直齿轮，直齿轮的轴向一面连接摇臂，摇臂一端连接直齿轮，摇臂另一端转动连接底座，底座固定于工作台表面，摇臂通过连杆连接圆盘，直齿轮轴向的另一面固定有凸块，直齿轮通过凸块与十字轴滑动连接，且凸块位于十字轴的竖向开口内，所述十字轴的径向两侧穿过锁环，且锁环与十字轴的径向两侧间隙配合。圆盘将力矩传递至连杆，连杆带动摇臂进行周向运动。摇臂转动时，与摇臂连接的直齿轮围绕内齿轮的圆心周转，此时由于外齿轮与工作台固定连接，所以内齿轮不动，直齿轮在圆盘的带动下进行间歇式转动。因为直齿轮表面固定了凸块，所以直齿轮通过凸块将周向力矩传递给十字轴，此时凸块在十字轴的竖向开口内滑动。

当凸块在十字轴的开口内滑动时，因为十字轴径向两侧与锁环间隙配合，所以当凸块完成一次周向运动时，十字轴受到竖直方向的力被锁环吸收，十字轴仅进行水平方向的往复运动。同时采用本技术方案进行往复运动时，十字轴每一次的瞬时速率都产生变化，因为重力加速度的存在，凸块连接的直齿轮在逐渐升高的过程中克服重力势能所消耗的动能会持续增加，反之直齿轮带动凸块下降时重力势能会转化为动能，所以凸块传递给十字轴的力矩随着重力势能的变化而变化。进一步模拟了复杂波动环境，提升了装置的使用性能。

进一步，所述转轨底部设有点阵结构，点阵结构的中部连接有第一铰制螺栓，第一铰制螺栓将圆盘和工作台转动连接。

对转轨进行了加固，延长了转轨的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为图1中圆盘的结构主视图；

图3为图1中径向推拉装置和限位自锁装置的连接关系示意图；

图4为实施例二的结构示意图；

图5为图4中径向推拉装置的主视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：工作台1、圆盘2、转轨201、槽块202、点阵结构203、电机3、转轴4、转臂401、锚臂402、固定板5、径向推拉装置6、转动杆601、从动杆602、横轴603、滑块604、框体605、开口606、内齿轮607、摇臂608、连杆609、十字轴610、锁环611、直齿轮612、凸块613、限位自锁装置7、左向倾斜板701、第一翘板702、弧形槽703、第二翘板704、右向倾斜板705、锁止件8、简谐装置9、拉簧901、壳体902、槽口903、浮标904、待测量材料10、底座11、加热装置12、耐热密封垫13。

实施例一：

实施例基本如附图1和附图2所示：一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，包括工作台1和圆盘2，工作台1表面的左侧放置有电机3，电机3的输出轴连接有转轴4，转轴4的前方根据距离电机3的从远到近依次装配有转臂401和锚臂402，且转臂401与锚臂402相互错开，转臂401接触有转轨201，转轨201底部焊接有用于加固的点阵结构203，点阵结构203中部连接有第一铰制螺栓，第一铰制螺栓将圆盘和工作台转动连接。转轨201位于圆盘2内圈，且转轨201与圆盘内圈一体制造，圆盘2内圈还一体制造有与锚臂402滑动适配的槽块202，槽块202的数量为四，且槽块202围绕圆盘2的圆心形成圆形矩阵。工作台1表面的右侧焊接有固定板5。固定板5外包裹有加热装置12，加热装置12与固定板5的重合处设有耐热密封垫13，加热装置12内设有红外辐射加热管。电机3和固定板5之间从左至右依次连接有径向推拉装置6、限位自锁装置7和用于固定材料的锁止件8。

如附图3所示，径向推拉装置6包括转动杆601、从动杆602、横轴603和滑块604，转动杆601与圆盘2固定连接，滑块604外端包裹有框体605，框体605表面开有用于横轴603移动的开口606，开口606的宽度小于滑块604的宽度，滑块604的右侧通过横轴603固定连接限位自锁装置7，滑块604的左侧固定连接从动杆602，从动杆602与转动杆601铰接。

限位自锁装置7包括左向倾斜板701和第一翘板702，左向倾斜板701通过横轴603连接滑块604，第一翘板702底部开有弧形槽703，弧形槽703内适配有与第一翘板702形状相同的第二翘板704，第二翘板704固定连接有右向倾斜板705，第一翘板702和第二翘板704都与工作台1通过铰制螺栓连接，右向倾斜板705与锁止件8螺纹连接，左向倾斜板701与右向倾斜板705之间连接有简谐装置9，其中左向倾斜板701和第一翘板702采用一体制造，第二翘板704和右向倾斜板705也采用一体制造。

简谐装置9包括拉簧901，拉簧901固定连接于左向倾斜板701与右向倾斜板705之间，拉簧901外部包裹有壳体902，壳体902表面开有槽口903，槽口903两侧标有距离刻度，且槽口903内间隙配合有浮标904，浮标904与拉簧901固定连接。

具体实施过程如下：

请参考图2，操作人员启动电机3时，电机3带动转轴4旋转，此时与转轴4同轴连接的转臂401和锚臂402开始带动圆盘2间隙式转动，因为转臂401与锚臂402相互错开，所以当转臂401与转轨201接触时，转臂401在转轨201中滑动，此时圆盘2保持静止，直至锚臂402与槽块202重新接触。当转臂401与圆盘2中的槽块202相互接触时，转臂401与槽块202处于摩擦连接状态，此时转臂401依靠与槽块202之间产生的摩擦力带动圆盘2旋转，此时圆盘2转动。

请参考图3，当圆盘2与转动杆601的连接点位于圆盘2左侧时，转动杆601拉伸从动杆602，滑块604向左侧滑动，同时因为框体605的设置，框体605吸收了滑块604受到的竖直方向力，保证了滑块604向左的运动状态，滑块604向左滑动后拉动左向倾斜板701，左向倾斜板701将拉簧901拉伸，拉伸后的拉簧901产生形变，浮标904随着拉簧901的拉伸产生移动，此时操作人员可以观察浮标904与刻度的重合部分计算出拉簧901此时受力指数，同时拉簧901拉动右向倾斜板705运动，直至与右向倾斜板705固定连接的第二翘板704滑落至第一翘板702的弧形槽703内。此时左向倾斜板701与右向倾斜板705完成适配连接，整个限位自锁装置7完成单向锁定，左向倾斜板701与右向倾斜板705的相对距离不会发生变化，当锚臂402与槽块202尚未脱离接触时径向推拉装置6依旧对限位自锁装置7提供拉伸力，因为限位自锁装置7已经完成单向锁定，所以此时限位自锁装置7不动且将力矩传递给锁止件8，锁止件8将物料拉伸。

请参考图2，当转臂401与槽块202脱离接触的瞬间，转臂401在转轨201中滑动，此时圆盘2保持静止。拉簧901产生回复力，此时简谐装置9挤压右向倾斜板705，因为简谐运动的特点，第一次产生的回复力与受到拉伸时的力矩大小相等，方向相反，此时右向倾斜板705的第二翘板704脱离与第一翘板702弧形槽703的适配连接，右向倾斜板705依次挤压锁止件8和待测量材料。待测量材料不停受到拉簧901产生的径向推拉力，此时操作人员根据每一次浮标904与刻度重合的读数记录待测量材料10的受力状况。

当圆盘2与转动杆601的连接点位于圆盘2右侧时，且转臂401与槽块202重新接触，此时左向倾斜板701压缩拉簧901，压缩后的拉簧901推动右向倾斜板705运动，直至与左向倾斜板701固定连接的第一翘板702滑落至第二翘板704的弧形槽703内，此时左向倾斜板701与右向倾斜板705完成适配连接，整个限位自锁装置7完成单向锁定，左向倾斜板701与右向倾斜板705的相对距离不会发生变化，当锚臂402与槽块202尚未脱离接触时径向推拉装置6依旧对限位自锁装置7提供拉压缩力，因为限位自锁装置7已经完成单向锁定，所以此时限位自锁装置7不动且将力矩传递给锁止件8，锁止件8将待测量材料10挤压。此时拉簧901再通过简谐运动传递径向推拉力，随后开启加热装置12，利用加热装置12改变待测材料10的环境温度，此时对待测量材料10进行性能测试。

本装置利用简谐运动和间歇运动的组合，模拟了待测量材料10在复杂波动环境下的应力水平，填补了现有技术的空白。

实施例二：

如附图4和附图5所示，本实施例与实施例一的区别在于径向推拉装置6的结构不同，本实施例中的径向推拉装置6包括内齿轮607、摇臂608、第二铰制螺栓、连杆609和带有竖向开口606的十字轴610，连杆609和从动杆602的结构相同，内齿轮607与工作台1的前面螺纹连接，内齿轮607的径向表面焊接有一组相互对称的锁环611，内齿轮607中啮合有直齿轮612，直齿轮612的后面连接摇臂608，摇臂608后面通过第二铰制造螺栓连接有底座11，底座11焊接于工作台1上，摇臂608通过连杆609连接圆盘2，直齿轮612轴向的另一面固定有凸块613，直齿轮612通过凸块613与十字轴610滑动连接，且凸块613位于十字轴610的竖向开口606内，十字轴610的左侧和右侧都与锁环611间隙配合。

具体实施方式如下：

请参考图5，在使用时，圆盘2将力矩传递至连杆609，连杆609带动摇臂608进行周向运动。摇臂608转动时，与摇臂608连接的直齿轮612围绕内齿轮607的圆心周转，此时由于内齿轮607与工作台1固定连接，所以内齿轮607不动，直齿轮612在圆盘2的带动下进行间歇式转动。因为直齿轮612表面固定了凸块613，所以直齿轮612通过凸块613将周向力矩传递给十字轴610，此时凸块613在十字轴610的竖向开口606内滑动。

当凸块613在十字轴610的开口606内滑动时，因为十字轴610径向两侧与锁环611间隙配合，所以当凸块613完成一次周向运动时，十字轴610受到竖直方向的力被锁环611吸收，十字轴610仅进行水平方向的往复运动。同时采用本技术方案进行往复运动时，十字轴610每一次的瞬时速率都产生变化，因为重力加速度的存在，凸块613连接的直齿轮612在逐渐升高的过程中克服重力势能所消耗的动能会持续增加，反之直齿轮612带动凸块613下降时重力势能会转化为动能，所以凸块613传递给十字轴610的力矩随着重力势能的变化而变化。进一步模拟了复杂波动环境，提升了装置的使用性能。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，包括工作台，工作台上放置有电机，工作台上设有固定板，固定板外包裹有加热装置，加热装置与固定板的重合处设有耐热密封垫，加热装置内设有红外辐射加热管，其特征在于：所述电机和固定板之间依次连接有径向推拉装置、限位自锁装置和用于固定材料的锁止件；

还包括圆盘和由电机驱动的转轴，圆盘与工作台转动连接，转轴的轴向方向根据距离电机的从远到近依次设有转臂和锚臂，且转臂与锚臂相互错开，转臂接触有转轨，转轨位于圆盘内圈，圆盘内圈还设有与锚臂滑动适配的槽块，所述槽块的数量至少为2，且槽块围绕圆盘的圆心形成圆形矩阵；

所述限位自锁装置包括左向倾斜板和第一翘板，左向倾斜板与径向推拉装置固定连接，所述第一翘板底部开有弧形槽，弧形槽内适配有与第一翘板形状相同的第二翘板，第二翘板固定连接有右向倾斜板，右向倾斜板与锁止件固定连接，左向倾斜板与右向倾斜板之间连接有简谐装置；

所述第一翘板和第二翘板都与工作台转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，其特征在于：所述简谐装置包括拉簧，拉簧固定连接于左向倾斜板与右向倾斜板之间，拉簧外部包裹有壳体，壳体表面开有槽口，槽口两侧标有距离刻度，且槽口内间隙配合有浮标，所述浮标与拉簧固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，其特征在于：径向推拉装置包括转动杆、从动杆、横轴和滑块，所述转动杆固定连接于圆盘，转动杆与从动杆铰接，所述滑块一端通过横轴固定连接左向倾斜板，滑块另一端通过从动杆连接转动杆，滑块外端包裹有框体，框体表面开有用于横轴移动的开口，开口的宽度小于滑块的宽度。

4.根据权利要求3所述的一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，其特征在于：所述框体的内侧采用光滑材料。

5.根据权利要求1所述的一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，其特征在于：所述径向推拉装置包括内齿轮、摇臂、底座、连杆、和带有竖向开口的十字轴，内齿轮的径向表面设有一组相互对称的锁环，内齿轮中啮合有直齿轮，直齿轮的轴向一面连接摇臂，摇臂一端连接直齿轮，摇臂另一端转动连接底座，底座固定于工作台表面，摇臂通过连杆连接圆盘，直齿轮轴向的另一面固定有凸块，直齿轮通过凸块与十字轴滑动连接，且凸块位于十字轴的竖向开口内，所述十字轴的径向两侧穿过锁环，且锁环与十字轴的径向两侧间隙配合。

6.根据权利要求1所述的一种模拟材料在复杂应力环境下的受力状态的装置，其特征在于：所述转轨底部设有点阵结构，点阵结构的中部连接有第一铰制螺栓，第一铰制螺栓将圆盘和工作台转动连接。