CN109655333A - 一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板试件拉伸‑弯曲复合疲劳试验夹具，包括上夹头、上分半内夹块、上支撑板、下分半内夹块、下支撑板、下夹头，上下夹头分别与疲劳试验机相连，上下支撑板位于上下夹头的凹槽中、可沿凹槽滑动，平板试件与上下分半内夹块连接后装入上下支撑板中部的倒梯形体空腔。上下夹头前后左右各有两个螺钉孔，通过控制调节螺钉的旋入深度可改变上下支撑板位置，进而改变平板试件位置，当平板试件中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，平板试件除单轴载荷外还将承受附加弯曲载荷。本发明能够满足平板试件的稳定夹持，开展拉伸‑弯曲复合疲劳试验，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。

Description

一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具

技术领域

本发明涉及一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，属于金属材料复合疲劳性能试验夹具，尤其是金属材料拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具的设计制造领域，在此基础上可以开展金属材料拉伸-弯曲复合疲劳试验，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。

背景技术

航空发动机涡轮叶片服役条件恶劣，高速旋转状态下离心载荷使涡轮叶片产生拉伸应力，积叠线不与径向线重合的涡轮叶片在离心载荷作用下还将产生弯曲应力；气动载荷主要以表面压力的形式作用在涡轮叶片表面上，由于叶片不同部位气动载荷分布的不均匀性，涡轮叶片还将承受弯曲力矩、扭转力矩。作为航空发动机的核心部件之一，涡轮叶片损坏后果十分严重，但是材料手册中通常仅有单轴拉伸、拉压疲劳试验数据，难以支撑同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估。因此，开展涡轮叶片材料拉伸-弯曲复合疲劳试验，确定其寿命具有十分重要的意义。

北航闫晓军等针对涡轮叶片疲劳试验研制了涡轮叶片夹具(闫晓军,聂景旭.定向结晶涡轮叶片蠕变/疲劳寿命的试验与分析[J].航空动力学报,2005,20(6):925-931.)，该夹具利用互相垂直的两对销轴将夹具的主要零件进行连接，每个销轴联接的两个零件构成一个转向节，零件可以绕销轴进行小幅转动；零件在销轴联接处存在间隙，通过调整销轴连接部位的间隙，可以改变涡轮叶片与疲劳试验机主轴的夹角，从而给涡轮叶片施加弯曲载荷。在此基础上，北航王荣桥等(CN102539135A、CN201710769710.4)建立了涡轮叶片热机械疲劳试验系统以及涡轮叶片叠加高周振动的热机械疲劳试验系统。国内梁文、石炜、赵伟等(梁文,石炜,赵伟,等.DD6单晶涡轮叶片热机综合疲劳试验研究[J].燃气涡轮试验与研究,2015,28(5):29-32.)在该夹具基础上设计了二位移调节机构来调节叶片应力场，二位移调节机构主要利用一个丝杠机构，在平面坐标系(x，y)内调节叶冠夹具的前后及左右位置，从而调节涡轮叶片加载中心位置，实现涡轮叶片弯曲载荷的施加。

然而，上述夹具及系统均是针对真实涡轮叶片特定截面的考核，无法直接应用于平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验中。此外，北航所发明的夹具依靠销轴连接，需要在主要零件上加工销轴孔，这必然使得销轴孔处产生应力集中，从而影响夹具强度；梁文、石炜、赵伟等所设计的二位移调节机构结构复杂，使用不方便，同时也需要加工丝杠孔等结构，也会在丝杠孔处产生应力集中，从而影响夹具强度。

综上所述，在现有技术条件的基础上，难以实现平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，满足平板试件稳定夹持的拉伸-弯曲复合疲劳试验，在此基础上开展平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。

本发明技术解决方案是：一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，包括上夹头、上支撑板、上分半内夹块、下分半内夹块、下支撑板、下夹头。上夹头和下夹头中部为空腔、下部为带有凹槽的承力齿。上下夹头分别与疲劳试验机相连，上下支撑板位于上下夹头的凹槽中、可沿凹槽滑动，平板试件与上下分半内夹块连接后装入上下支撑板中部的倒梯形体空腔。上下夹头两侧空腔高度比上下支撑板高度高0.5-1mm，保证上下支撑板能够从侧面进入上下夹头内部空腔中。上下夹头凹槽长度比上下支撑板的长度长20-30mm，上下夹头凹槽宽度比上下支撑板的宽度宽20-30mm，并且上下夹头下部承力齿边缘距离平板试件10-20mm，从而保证上下支撑板可沿上下夹头凹槽滑动。上下夹头前后左右各有两个螺钉孔，试验过程中可通过控制靠调节螺钉的旋入深度改变上下支撑板位置，从而改变平板试件位置，当平板试件中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，平板试件除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明解决了在现有技术条件的基础上难以实现平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验的问题，通过特殊设计的夹具实现了平板试件在拉伸-弯曲复合疲劳载荷下的稳定夹持，可以支撑平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验的开展，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。此外，本发明装配简单、使用方便；对于不同尺寸的平板试件，重新加工相应的上下分半内夹块即可，无需多次加工夹具的其他组成部分，可降低加工成本。

附图说明

图1为本发明的上夹头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为正视图；

图2为本发明的上分半内夹块图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为正视图；

图3为本发明的上支撑板图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为正视图；

图4为平板试件示意图；

图5为本发明的下分半内夹块图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为正视图；

图6为本发明的下支撑板图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为正视图；

图7为本发明的下夹头图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为正视图；

图8为本发明的调节螺钉图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为正视图；

图9为本发明的上夹头和下夹头的组成部分，其中A为夹持端；B为凹槽；C为下部承力齿；

图10为本发明中上支撑板、上分半内夹块以及平板试件的装配图；

图11为本发明的平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具的装配图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1-11所示，本发明主要针对金属材料拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具进行了设计，夹具主要包括上夹头1、上分半内夹块2、上支撑板3、下分半内夹块5、下支撑板6、下夹头7。上夹头1和下夹头7分别与疲劳试验机相连，上支撑板3和下支撑板6位于上夹头1和下夹头7的凹槽B中、可沿凹槽B滑动，平板试件4与上分半内夹块2和下分半内夹块5连接后分别装入上支撑板3和下支撑板6中部的倒梯形体空腔。上夹头1和下夹头7两侧空腔高度比上支撑板3和下支撑板6高度高0.5-1mm，保证上支撑板3和下支撑板6能够从侧面进入上夹头1和下夹头7内部空腔中。上夹头1和下夹头7的凹槽B长度比上支撑板3和下支撑板6的长度长20-30mm，上夹头1和下夹头7的凹槽B宽度比上支撑板3和下支撑板6的宽度宽20-30mm，并且上夹头1和下夹头7的下部承力齿C边缘与平板试件4距离10-20mm，从而保证上支撑板3和下支撑板6可沿上夹头1和下夹头7的凹槽B滑动。

试验过程中夹具装配图如图11所示，组装过程分为4步：

1.将平板试件4一端与上分半内夹块2连接后装入上支撑板3中部的倒梯形体空腔；

2.将下支撑板6套在平板试件上，将平板试件4另一端与下分半内夹块5连接后装入下支撑板6中部的倒梯形体空腔；

3.上支撑板3和下支撑板6分别搭在上夹头1和下夹头7的凹槽B中；

4.将上夹头1和下夹头7的夹持端A先后夹在疲劳试验机上，并在上夹头1和下夹头7前后左右的螺钉孔安装调节螺钉8。

试验过程中平板试件弯曲载荷的调节主要依靠调节螺钉8实现，上夹头1和下夹头7前后左右各有两个螺钉孔，每个螺钉孔有一个调节螺钉8，试验过程中可通过控制调节螺钉8的旋入深度改变上支撑板3和下支撑板6位置，从而改变平板试件4位置，当平板试件4中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，平板试件除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷。

本发明解决了在现有技术条件的基础上难以实现平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验的问题，通过特殊设计的夹具实现了平板试件在拉伸-弯曲复合疲劳载荷下的稳定夹持，可以支撑平板试件在拉伸-弯曲复合疲劳试验的开展，为航空发动机涡轮叶片等服役过程中同时承受拉伸、弯曲载荷的工程结构的寿命评估奠定基础。本发明装配简单、使用方便；对于不同尺寸的平板试件，重新加工相应的上分半内夹块2和下分半内夹块5即可，无需多次加工夹具的其他组成部分，可降低加工成本。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：包括，上夹头、上分半内夹块、上支撑板、下分半内夹块、下支撑板和下夹头；上夹头和下夹头中部为空腔、下部为带有凹槽的承力齿；上夹头与疲劳试验机上端相连；下夹头与疲劳试验机下端相连；上支撑板位于上夹头的凹槽中，沿所述凹槽滑动；下支撑板位于下夹头的凹槽中，沿所述凹槽滑动；上分半内夹块与平板试件一端连接后装入上支撑板中部的倒梯形体空腔；下分半内夹块与平板试件一端连接后装入下支撑板中部的倒梯形体空腔。

2.根据权利要求1所述的一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述上夹头的两侧空腔高度比上支撑板的高度高0.5-1mm，保证上支撑板能从侧面进入上夹头内部空腔中。

3.根据权利要求1所述的一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹头的两侧空腔高度比下支撑板的高度高0.5-1mm，保证下支撑板能从侧面进入下夹头内部空腔中。

4.根据权利要求1所述的一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述上夹头的凹槽长度比上支撑板的长度长20-30mm，上夹头的凹槽宽度比上支撑板的宽度宽出20-30mm，并且上夹头的下部承力齿边缘距离平板试件10-20mm，保证上支撑板沿上夹头的凹槽滑动。

5.根据权利要求1所述的一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹头的凹槽长度比下支撑板的长度长20-30mm，下夹头的凹槽宽度比下支撑板的宽度宽20-30mm，并且下夹头的下部承力齿边缘距离平板试件10-20mm，保证下支撑板沿下夹头的凹槽滑动。

6.根据权利要求1所述的一种平板试件拉伸-弯曲复合疲劳试验夹具，其特征在于：所述上夹头和下夹头前后左右各有两个螺钉孔，通过控制调节螺钉的旋入深度改变上下支撑板位置，从而改变平板试件位置；当平板试件中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，平板试件承受单轴载荷和附加的弯曲载荷。