CN109724879B - 一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，它包括：台架，上层经、纬向支撑横梁，垂直立柱，顶角加强接头，中层经、纬向横梁，双轴向拉伸试样，试样固定卡头，经、纬向试样固定卡头，位置松紧调节器，经、纬向位置松紧调节器，上层横梁定位器，拉伸载荷传递带，经、纬向拉伸载荷传递带，经、纬向横梁传递带限位器，经、纬向载荷转接板，疲劳载荷加载件，经、纬向疲劳载荷砝码，经、纬向载荷连接绳，经、纬向载荷弹性绳，疲劳加载件，疲劳电机，变载荷凸轮，弹性绳固定件，中心弹性绳固定球，中心固定支柱；本发明设计的结构较简结，安装方便，且易于维护和成本低。
Description
技术领域
本发明属于机械测量领域，设计了一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置。该试验装置可以对柔性增强薄膜材料的经向和纬向同时加载互不干扰的应力载荷来测量其在双轴向拉伸时的疲劳特性。所设计的装置可以为柔性薄膜材料试样的经向和纬向加载所需要的基础应力和循环变化应力。试验装置结构简单，试验操作简单使用方便，可以模拟柔性纤维增强薄膜材料在真实载荷工况下的双轴向疲劳特性，为设计和测试柔性纤维增强薄膜材料的疲劳特性提供一种简单可靠的方式。
背景技术
在新产品结构设计和新材料研制过程中，材料的疲劳力学性能是材料应用性能的一个关键指标。在机械零部件失效中，疲劳失效情况占据50％以上，而且疲劳应力破坏经常在低应力条件下发生，甚至远低于其拉伸断裂破坏强度，在没有出现明显的塑性变形时直接断裂导致灾难性事件发生。对于柔性纤维增强薄膜材料来说，材料的双轴向疲劳性能直接决定材料的应用范围，而且柔性纤维增强薄膜材料通常为各向异性，且受力方向并不单一。传统的疲劳拉伸机一般只能对测试材料进行单轴向应力加载测试，而双轴向疲劳拉伸机设备价格十分昂贵，试验加载复杂。本发明与专利《材料微观力学性能双轴拉伸-疲劳测试系统及其测试方法(CN104913974A)》并没有与本专利相雷同之处，该专利设计的特点在施加拉伸载荷之前就对测试材料制造了人为缺陷，然后通过精密的光学系统观察缺陷的扩展，计算机软件分析光学系统传送过来的数据得到该材料的疲劳特性。该专利设计的系统结构较复杂，其测试方法对柔性纤维增强薄膜也并不合适。因为通过在测试材料上制造缺陷来进行观察分析，首先难以模拟柔性薄膜材料的真实工况，另外纤维增强柔性薄膜类材料若预先人为制造缺陷，则缺陷处的强度会大大降低，材料基本处于失效状态，这种事先有损的测试方法也并不合适柔性纤维增强薄膜类材料。该专利更偏重于材料机理类型的研究，而本专利着重于研究纤维增强柔性薄膜类材料在真实使用工况下的疲劳特性，实验操作过程简单，且试验加载简便和测试数据有可参考性。
本专利从根本上解决柔性纤维增强薄膜材料双轴向应力疲劳试验问题。柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置可以根据被测柔性纤维增强薄膜经纬两个方向受力大小及交变频率设置加载工况，经纬双轴向的受力加载互不干扰，且不受薄膜材料拉伸变形的影响，可以精确的测量柔性纤维增强薄膜材料双轴向拉伸载荷条件下的疲劳特性。
发明内容
(一)本发明的目的
针对上述问题，本发明的目的是提出了一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，它可根据柔性增强薄膜的使用工况加载双轴向所需要基础应力和循环交变应力，测试其在双轴向拉伸载荷使用工况下的疲劳特性，为材料的选用提供有效的参考依据。
(二)技术方案
本发明提出了一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于它包括：台架(1)、上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)、垂直立柱(13)、顶角加强接头(14)、中层经向横梁(15)、中层纬向横梁(16)、双轴向拉伸试样(2)、试样固定卡头(3)、经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、位置松紧调节器(4)、经向位置松紧调节器(41)、纬向位置松紧调节器(42)、上层横梁定位器(43)、拉伸载荷传递带(5)、经向拉伸载荷传递带(51)、纬向拉伸载荷传递带(52)、经向横梁传递带限位器(53)、纬向横梁传递带限位器(54)、经向载荷转接板(55)、纬向载荷转接板(56)、疲劳载荷加载件(6)、经向疲劳载荷砝码(61)、纬向疲劳载荷砝码(62)、经向载荷连接绳(63)、纬向载荷连接绳(64)、经向载荷弹性绳(65)、纬向载荷弹性绳(66)、疲劳加载件(7)、疲劳电机(71)、变载荷凸轮(72)、弹性绳固定件(8)、中心弹性绳固定球(81)、中心固定支柱(82)；
以上部件相互之间位置关系是：台架(1)四角的顶角加强接头(14)用于固定安装上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)和垂直立柱(13)，以形成该装置的一个基础台架；在其中一根上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)位置的下方平行位置分别安装有中层经向横梁(15)和中层纬向横梁(16)，上述两横梁(15、16)的两端分别连接(如焊接)在相应垂直立柱(13)的中间区域；上层台面主要由二根上层经向支撑横梁(11)和二根上层纬向支撑横梁(12)，它们中的一根上层经向支撑横梁(11)和一根上层纬向支撑横梁(12)的中间位置安装有同轴的经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)，剩余两横梁分别安装有上层横梁定位器(43)；台架(1)台面的中央为被测试的双轴向拉伸试样(2)，其经向和纬向共四边中的两条边分别通过经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)与经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)连接固定，上述经向和纬向位置松紧调节器(41、42)固定于相应位置的上层横梁定位器；经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)均用螺栓进行紧固；双轴向拉伸试样(2)的另外两条边通过另一组经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(41)分别与经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)连接，经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)分别限制在其相应方向的经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)内，防止出现轴向位移；经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)的另一端分别与经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)经过经向载荷转接板(55)与纬向载荷转接板(56)连接固定，基中经向载荷转接板(55)与纬向载荷转接板(56)由螺栓紧固；经向载荷连接绳(65)和纬向载荷连接绳(66)的下端分别挂有若干个经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)，上述砝码亦连接在经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)上，并且分别通过中层经向横梁(15)和中层纬向横梁(16)再穿过相应方向的变载荷凸轮(72)固定在中心弹性绳固定球(81)上，中心弹性绳固定球(81)连接(如焊接)于中心弹性绳固定支柱(82)上；变载荷凸轮(72)通过键连接固定于疲劳电机(71)的转轴上；
所述台架(1)上的上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)、垂直立柱(13)、顶角加强接头(14)、中层经向横横梁(15)和中层纬向横梁(16)均为不锈钢材质；台架(1)的上层桌面由2根上层经向支撑横梁(11)和2根上层纬向支撑横梁(12)通过顶角加强接头(14)连接(如焊接)成一体；两根上层经向支撑横梁(11)中的一根在杆的中间安装有一个上层横梁定位器(43)，与其平行的另一根上层经向支撑横梁(11)的中间安装有经向横梁传递带限位器(53)；同样的，两根上层纬向支撑横梁(12)中的一根在杆的中间安装有一个上层横梁定位器(43)，与其平行的另一根上层纬向支撑横梁(12)的中间安装有纬向横梁传递带限位器(54)；上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)为圆柱杆；上述上层横梁定位器(43)、经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)可以沿着所安装轴轴心转动，但轴向自由度被限制；在安装有上层横梁定位器43的两根横梁(11、12)下方的平行位置分别平行安装有中层经向横梁15和中层纬向横梁16，其两端分别焊接在相应垂直立柱13的中间区域；垂直立柱(13)其截面为正方形；上述部件均进行连接固定；
所述的双轴向拉伸试样(2)预先裁切成“十”字形状，具体的尺寸根据实验设计确定；该试样(2)的四周均被经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)固定，并用螺栓紧固；
所述试样固定卡头(3)包括经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)；它们与经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)均由两块面板组成，铝合金材质且形状完全相同；两板料相邻接触面为锯齿形，相互嵌入，被测双轴向试样(2)夹在两锯齿形板块中间；经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)的矩形表面上对称设计有四个螺栓孔，它们的安装方式完全相同且均通过螺栓进行紧固；
所述经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)是一种钢丝绳收紧器；通过旋转其上的花篮螺杆来调节双轴向拉伸试样(2)的初始位置；
所述上层横梁定位器(43)为圆柱环；该圆柱环与其安装轴同轴心，有转动自由度而轴向自由度被限制；圆柱环边缘连接(如焊接)一根圆柱，圆柱另一端连接(如焊接)一个空心圆环；经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)上的吊钩可以钩住该空心圆柱进行固定；
所述经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)通过纤维增强布料编织而成；其宽度与被测双轴向拉伸试样(2)的边宽相同；通过纤维增强面料编织而成的布料有弹性模量大不易拉伸变形的特性；
所述经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)用于限制经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)的轴向位移；经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)分别与上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)同轴心且有转动自由度，但轴向自由度被限制；
所述经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)有多种不同重量的型号；上述砝码(61、62)为带缺口的圆柱体，缺口从圆心到圆柱的边缘，通过该缺口可以安放经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)在经向载荷连接绳(65)和纬向载荷连接绳(66)上；
所述经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)可用麻绳；经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)可以用弹力绳；
所述疲劳电机(71)的额定工作电压220V，可根据需要进行变频无级调速；疲劳电机(71)上的变载荷凸轮(72)为PP尼龙料，其轮廓曲线根据试验所需交变载荷大小、经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)的弹性模量K进行设计；变载荷凸轮(72)边缘有一个凹槽，可以嵌放经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)而防止其脱落跑偏；
所述弹性绳固定件(8)包括中心弹性绳固定球(81)和中心固定支柱(82)；将上述两者连接(如焊接)在一起组成弹性绳固定件(8)，用于固定经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)。
(三)本发明的优点在于：
1、本发明为一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，可以对被测双轴向拉伸试样(2)进行双轴向加载应力，可以精确的模拟柔性纤维增强薄膜类材料的真实工作工况，与单轴测试相比所测实验数据更准确；
3、本发明中被测双轴向拉伸试样(2)所用的连接传力固定装置包括：经向试样固定卡头(31)、经向试样固定卡头(32)、经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)等均为相互嵌入的锯齿形夹板。采用该类夹板可以保证双轴向拉伸试样受力均匀。采用经向拉伸载荷传递带(51)、纬向载荷传递带(52)、经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)等均用于保证被测材料在受力加载时不会因为发生明显局部变形而影响实验结果的准确性。设计结构从细节处仔细考量，消除影响实验误差的主要因素，保证所测数据具有可参考性；
本发明一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其基础受力和交变应力大小均可根据使用工况进行加载。通过增减经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)的重量可以改变基础受力大小，通过更改弹性绳的弹性系数和电机的凸轮轮廓可以改变交变应力大小。通过调节疲劳电机(71)的转速改变交变应力的频率，它们之间的加载互不干扰，调节简单便捷，易于模拟测试柔性纤维增强薄膜在真实使用工况下的应力疲劳特性；
4、本发明设计的结构较简结，安装方便，且易于维护和成本低。
附图说明
图1为本发明柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置的等轴侧示意图。
图2为本发明柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置的俯视图示意图。
图3为本发明柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置的正视图示意图。
图4为本发明柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置的右视图示意图。
图5为本发明柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置的俯视图示意图。
图中序号说明如下：
1、台架(1) 上层经向支撑横梁(11) 上层纬向支撑横梁(12) 垂直立柱(13) 顶角加强接头(14) 中层经向横梁(15) 中层纬向横梁(16)
2、双轴向拉伸试样(2)
3、试样固定卡头(3) 经向试样固定卡头(31) 纬向试样固定卡头(32)
4、位置松紧调节器(4) 经向位置松紧调节器 (41) 纬向位置松紧调节器(42)43-上层横梁定位器
5、拉伸载荷传递带(5) 经向拉伸载荷传递带(51) 纬向拉伸载荷传递带(52) 经向横梁传递带限位器(53) 纬向横梁传递带限位器(54)经向载荷转接板(55) 纬向载荷转接板(56)
6、疲劳载荷加载件(6) 经向疲劳载荷砝码(61) 纬向疲劳载荷砝码(62)经向载荷连接绳(63) 纬向载荷连接绳(64) 经向载荷弹性绳(65)纬向载荷弹性绳(66)
7、疲劳加载件(7) 疲劳电机(71) 变载荷凸轮(72)
8、弹性绳固定件(8) 中心弹性绳固定球(81) 中心固定支柱(82)
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，如图1、图2、图3、图4、图5所示，它包括：台架(1)、上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)、垂直立柱(13)、顶角加强接头(14)、中层经向横梁(15)、中层纬向横梁(16)、双轴向拉伸试样(2)、试样固定卡头(3)、经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、位置松紧调节器(4)、经向位置松紧调节器(41)、纬向位置松紧调节器(42)、上层横梁定位器(43)、拉伸载荷传递带(5)、经向拉伸载荷传递带(51)、纬向拉伸载荷传递带(52)、经向横梁传递带限位器(53)、纬向横梁传递带限位器(54)、经向载荷转接板(55)、纬向载荷转接板(56)、疲劳载荷加载件(6)、经向疲劳载荷砝码(61)、纬向疲劳载荷砝码(62)、经向载荷连接绳(63)、纬向载荷连接绳(64)、经向载荷弹性绳(65)、纬向载荷弹性绳(66)、疲劳加载件(7)、疲劳电机(71)、变载荷凸轮(72)、弹性绳固定件(8)、中心弹性绳固定球(81)、中心固定支柱(82)；
以上部件相互之间位置关系是：台架(1)四角的顶角加强接头(14)用于固定安装上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)和垂直立柱(13)，以形成该装置的一个基础台架；在其中一根上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)位置的下方平行位置分别安装有中层经向横梁(15)和中层纬向横梁(16)，上述两横梁(15、16)的两端分别焊接在相应垂直立柱(13)的中间区域；上层台面主要由二根上层经向支撑横梁(11)和二根上层纬向支撑横梁(12)，它们中的一根上层经向支撑横梁(11)和一根上层纬向支撑横梁(12)的中间位置安装有同轴的经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)，剩余两横梁分别安装有上层横梁定位器(43)；台架(1)台面的中央为被测试的双轴向拉伸试样(2)，其经向和纬向共四边中的两条边分别通过经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)与经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)连接固定，上述经向和纬向位置松紧调节器(41、42)固定于相应位置的上层横梁定位器；经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)均用螺栓进行紧固；双轴向拉伸试样(2)的另外两条边通过另一组经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(41)分别与经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)连接，经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)分别限制在其相应方向的经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)内，防止出现轴向位移；经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)的另一端分别与经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)经过经向载荷转接板(55)与纬向载荷转接板(56)连接固定，基中经向载荷转接板(55)与纬向载荷转接板(56)由螺栓紧固；经向载荷连接绳(65)和纬向载荷连接绳(66)的下端分别挂有若干个经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)，上述砝码亦连接在经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)上，并且分别通过中层经向横梁(15)和中层纬向横梁(16)再穿过相应方向的变载荷凸轮(72)固定在中心弹性绳固定球(81)上，中心弹性绳固定球(81)焊接于中心弹性绳固定支柱(82)上；变载荷凸轮(72)通过键连接固定于疲劳电机(71)的转轴上；
所述台架(1)上的上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)、垂直立柱(13)、顶角加强接头(14)、中层经向横横梁(15)和中层纬向横梁(16)均为不锈钢材质；台架(1)的上层桌面由2根上层经向支撑横梁(11)和2根上层纬向支撑横梁(12)通过顶角加强接头(14)焊接成一体；两根上层经向支撑横梁(11)中的一根在杆的中间安装有一个上层横梁定位器(43)，与其平行的另一根上层经向支撑横梁(11)的中间安装有经向横梁传递带限位器(53)；同样的，两根上层纬向支撑横梁(12)中的一根在杆的中间安装有一个上层横梁定位器(43)，与其平行的另一根上层纬向支撑横梁(12)的中间安装有纬向横梁传递带限位器(54)；上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)为直径为20mm长1m圆柱杆；上述上层横梁定位器(43)、经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)可以沿着所安装轴轴心转动，但轴向自由度被限制；在安装有上层横梁定位器43的两根横梁(11、12)下方的平行位置分别平行安装有中层经向横梁15和中层纬向横梁16，其两端分别焊接在相应垂直立柱13的中间区域；垂直立柱(13)长800mm，其截面为正方形边长为40mm；上述部件均通过焊接进行连接固定；
所述的双轴向拉伸试样(2)预先裁切成“十”字形状，具体的尺寸根据实验设计确定；该试样(2)的四周均被经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)固定，并用螺栓紧固；
所述试样固定卡头(3)包括经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)；它们与经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)均由两块面板组成，铝合金材质且形状完全相同；两板料相邻接触面为锯齿形，相互嵌入，被测双轴向试样(2)夹在两锯齿形板块中间；经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)的矩形表面上对称设计有四个Ф6mm的螺栓孔，它们的安装方式完全相同且均通过M6的螺栓进行紧固；
所述经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)是一种钢丝绳收紧器；通过旋转其上的花篮螺杆来调节双轴向拉伸试样(2)的初始位置，花篮螺栓型号为M8；
所述上层横梁定位器(43)为内圆直径为15mm外圆直接为20mm轴向长12mm的圆柱环；该圆柱环与其安装轴同轴心，有转动自由度而轴向自由度被限制；圆柱环边缘焊接一根长为6mm直径为3mm的圆柱，圆柱另一端焊接一个空心圆环；经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)上的吊钩可以钩住该空心圆柱进行固定；
所述经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)通过纤维增强布料编织而成；其宽度与被测双轴向拉伸试样(2)的边宽相同长300mm；通过纤维增强面料编织而成的布料有弹性模量大不易拉伸变形的特性；
所述经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)用于限制经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)的轴向位移；经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)分别与上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)同轴心且有转动自由度，但轴向自由度被限制；
所述经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)有50g至5000g多种不同重量的型号；上述砝码(61、62)为带缺口的圆柱体，缺口从圆心到圆柱的边缘且其宽度为10mm，通过该缺口可以安放经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)在经向载荷连接绳(65)和纬向载荷连接绳(66)上；上述砝码(61、62)材质均为铸铁；
所述经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)可用直径为6mm的麻绳；经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)可以用直径为3mm的弹力绳；
所述疲劳电机(71)的额定工作电压220V，可根据需要进行变频无级调速；疲劳电机(71)上的变载荷凸轮(72)为PP尼龙料，其轮廓曲线根据试验所需交变载荷大小、经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)的弹性模量K进行设计；变载荷凸轮(72)边缘有一个凹槽，可以嵌放经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)而防止其脱落跑偏；
所述弹性绳固定件(8)包括半径为70mm的中心弹性绳固定球(81)和截面边长为40mm的正方形轴向长260mm中心固定支柱(82)；将上述两者焊接在一起组成弹性绳固定件(8)，用于固定经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)。
综上所述，本发明的具体实施方式再具体叙述和补充如下：
本发明为一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，如图1、图2、图3、图4、图5所示，它包括台架1、上层经向支撑横梁11、上层纬向支撑横梁12、垂直立柱13、顶角加强接头14、中层经向横梁15、中层纬向横梁16、双轴向拉伸试样2、试样固定卡头3、经向试样固定卡头31、纬向试样固定卡头32、位置松紧调节器4、经向位置松紧调节器41、纬向位置松紧调节器42、上层横梁定位器43、拉伸载荷传递带5、经向拉伸载荷传递带51、纬向拉伸载荷传递带52、经向横梁传递带限位器53、纬向横梁传递带限位器54、经向载荷转接板55、纬向载荷转接板56、疲劳载荷加载件6、经向疲劳载荷砝码61、纬向疲劳载荷砝码62、经向载荷连接绳63、纬向载荷连接绳64、经向载荷弹性绳65、纬向载荷弹性绳66、疲劳加载件7、疲劳电机71、变载荷凸轮72、弹性绳固定件8、中心弹性绳固定球81、中心固定支柱82。
所述的试验台架(1)台面由两根上层经向支撑横梁(11)和两根上层的纬向支撑横梁(12)组成。横梁圆柱的直径为20mm，顶角加强接头(14)的尺寸为75mm×75mm×50mm，接头与横梁的接触面均设计有直径为20mm的凹槽圆柱孔用来安放上述横梁(11、12)；四个顶角加强接头(14)底面焊接有垂直立柱(13)。垂直立柱(13)为方柱且长度是800mm，方柱截面是边长40mm的正方形。其中经纬两个方向的垂直立柱(13)中间400mm处分别焊接有中层经向横梁(13)和中层纬向横梁(16)。试验台台架(1)的上层经向横梁(11)、上层纬向横梁(12)和垂直立柱(13)均为不锈钢材质。将上述横梁(11、12)和垂直立柱(13)分别嵌入顶角加强接头(14)的圆柱孔内通过焊接固定。
所述的双轴向拉伸试样(2)一般裁切成“十”字形状；由于柔性纤维增强薄膜的经纬方向通常为各向异性，其尺寸大小和方向需要根据实验标准进行裁切。裁切时应注意所选择的材料均质且没有明显的裂纹和褶皱。在“十”字形转角处设置有适当的圆弧过渡，消除由于形状突变造成应力集中的影响。
所述的经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)均为铝合金制造，结构相同且易于装夹。上述部件(31、32、55、56)由两块尺寸为160mm×110mm×3mm的矩形板组成，两块板接触面为相互嵌入的锯齿形，因此柔性纤维增强薄膜被夹在相匹配的齿形中而保证在疲劳试验时不会出现松动。相邻两块板中央对称位置均设计有四个Ф6mm的孔，可以通过M6的螺栓紧固，螺杆穿过两块矩形板然后在背面再用螺母旋紧，所有螺栓安装方式均相同。
所述的经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)为钢丝绳收紧器，通过旋转花篮螺栓可以调节被测双轴向拉伸试样的初始位置。上层横梁定位器(43)用于限制上述调节器(41、42)的轴向位移防止其跑偏使材料在受力测试时更加均匀。
所述的经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)通过多组纤维编织而成。因此在纵向弹性模量大，不易拉伸变形。拉伸带宽度与被测材料的带宽一致，长度为300mm。经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)的中间位置是一根长100mm外直径为10mm内直径为5mm的空心圆柱，该空心圆柱两端分别焊接一个外直径30mm内直径为5mm长为10mm的大圆柱。两侧的大圆柱用于限制经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)的轴向位移。
所述的经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)型号由50g至5000g多种重量不同的砝码组成。砝码是厚度为20mm的圆柱形，直径尺寸与其重量相关，均通过铸铁制造而成。圆柱从中心到边缘设计有一个15mm的矩形缺口带，中心处的矩形缺口边用半径为7.5mm的圆弧过渡。通过这个缺口可以将不同质量的经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)叠加在经向载荷连接绳63和纬向载荷连接绳64上。所加载的经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)可以为被双轴向拉伸试样(2)加载所需要的基础载荷。
所述的经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)为直径6mm的麻绳，用于将经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)的重量传递至双轴向拉伸试样(2)上以加载疲劳应力。经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)为直径3mm的弹力绳，疲劳电机(71)带动变载荷凸轮(72)使经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)产生一个交变的疲劳载荷。
所述的疲劳电机(71)为变频无级调速电机，转速范围60-3000转/分钟，可以用来模拟1-50Hz范围内的交变频率。通过调节其转速频率可以模拟被测双轴向拉伸试样(2)的交变载荷。
所述的变载荷凸轮(72)为硬质尼龙材料，轮廓曲线边缘自带向内凹陷的圆弧凹槽，凹槽直径为20mm,变载荷凸轮(72)的厚度为20mm。经过设计计算得到其轮廓曲线后通过数控加工即可，制造简单方便。
所述的弹性绳固定件(8)是中心弹性固定球(81)和中心固定支柱(82)组成。中心固定支柱(82)的截面为边长是40mm的正方形，上述支柱(82)长度为260mm，中心弹性绳固定球(81)的半径为70mm。整个弹性绳固定件(8)是厚度为10mm的不锈钢材料焊接成一体。用于固定经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)。
具体操作步骤：
步骤一：根据被测材料的实际使用工况，分析并计算其基础受力、交变应力的频率。根据所需拉力载荷变化规律及经向载荷弹性绳(65)、纬向载荷弹性绳(66)的弹性系统特性，应用解析法设计凸轮轮廓曲线，然后应用计算软件编程绘制出所设计凸轮的外形轮廓线图。
步骤二：根据所绘凸轮轮廓图形状及尺寸大小用数控加工制造出变载荷凸轮(72)，并且将变载荷凸轮(72)并安装到疲劳电机(71)转轴上。
步骤三：将双轴向拉伸试样(2)按设计与实验要求进行裁切，其大致外形呈现图一中央区域所示“十”字形状。
步骤四：将双轴向拉伸试样四边用经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)夹持。并按照图一所示安装经向载荷转接板(55)、纬向载荷转接板(56)、疲劳电机(71)、经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)等。最后按需要加载经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)。然后旋转钢丝绳花篮螺杆调节双轴向拉伸试样(2)到台架中央的区域。
步骤五：调节疲劳电机(71)到设计转速并计时，变载荷凸轮(72)转动并按一定频率拉伸经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)，使双轴向拉伸试样(2)受一定频率的交变载荷。
步骤六：若材料出现破损则试验结束并结束计时，计算破坏疲劳转数并评估材料的疲劳性能。
上述柔性纤维增强薄膜双轴应力疲劳加载试验装置，其加载基础应力可通过添减经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)的质量进行调节，循环交变应力大小可通过改变变载荷凸轮(72)的轮廓曲线、经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)的弹性系数进行设计，交变应力频率通过调节疲劳电机(71)的转速来实现，因此可以精确的模拟双轴向拉伸试样(2)的真实使用工况。双轴向拉伸试样(2)通过经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、经向拉伸载荷传递带(51)、纬向拉伸载荷传递带(52)、经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)等装置，极大的减轻了双轴向拉伸试样(2)因受力变形导致应力集中的影响，保证在整个测试区域受力均匀，得到准确的试验数据。
Claims (10)
1.一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：它包括：
台架(1)、上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)、垂直立柱(13)、顶角加强接头(14)、中层经向横梁(15)、中层纬向横梁(16)、双轴向拉伸试样(2)、试样固定卡头(3)、经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、位置松紧调节器(4)、经向位置松紧调节器(41)、纬向位置松紧调节器(42)、上层横梁定位器(43)、拉伸载荷传递带(5)、经向拉伸载荷传递带(51)、纬向拉伸载荷传递带(52)、经向横梁传递带限位器(53)、纬向横梁传递带限位器(54)、经向载荷转接板(55)、纬向载荷转接板(56)、疲劳载荷加载件(6)、经向疲劳载荷砝码(61)、纬向疲劳载荷砝码(62)、经向载荷连接绳(63)、纬向载荷连接绳(64)、经向载荷弹性绳(65)、纬向载荷弹性绳(66)、疲劳加载件(7)、疲劳电机(71)、变载荷凸轮(72)、弹性绳固定件(8)、中心弹性绳固定球(81)、中心固定支柱(82)；
以上部件相互之间位置关系是：台架(1)四角的顶角加强接头(14)用于固定安装上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)和垂直立柱(13)，以形成该装置的一个基础台架；在其中一根上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)位置的下方平行位置分别安装有中层经向横梁(15)和中层纬向横梁(16)，上述两横梁(15、16)的两端分别连接在相应垂直立柱(13)的中间区域；上层台面主要由二根上层经向支撑横梁(11)和二根上层纬向支撑横梁(12)，它们中的一根上层经向支撑横梁(11)和一根上层纬向支撑横梁(12)的中间位置安装有同轴的经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)，剩余两横梁分别安装有上层横梁定位器(43)；台架(1)台面的中央为被测试的双轴向拉伸试样(2)，其经向和纬向共四边中的两条边分别通过经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)与经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)连接固定，上述经向和纬向位置松紧调节器(41、42)固定于相应位置的上层横梁定位器；经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)均用螺栓进行紧固；双轴向拉伸试样(2)的另外两条边通过另一组经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)分别与经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)连接，经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)分别限制在其相应方向的经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)内，防止出现轴向位移；经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)的另一端分别与经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)经过经向载荷转接板(55)与纬向载荷转接板(56)连接固定，基中经向载荷转接板(55)与纬向载荷转接板(56)由螺栓紧固；经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)的下端分别挂有若干个经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)，上述砝码亦连接在经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)上，并且分别通过中层经向横梁(15)和中层纬向横梁(16)再穿过相应方向的变载荷凸轮(72)固定在中心弹性绳固定球(81)上，中心弹性绳固定球(81)连接于中心弹性绳固定支柱(82)上；变载荷凸轮(72)通过键连接固定于疲劳电机(71)的转轴上；
所述台架(1)上的上层经向支撑横梁(11)、上层纬向支撑横梁(12)、垂直立柱(13)、顶角加强接头(14)、中层经向横横梁(15)和中层纬向横梁(16)均为不锈钢材质；台架(1)的上层桌面由2根上层经向支撑横梁(11)和2根上层纬向支撑横梁(12)通过顶角加强接头(14)连接成一体；两根上层经向支撑横梁(11)中的一根在杆的中间安装有一个上层横梁定位器(43)，与其平行的另一根上层经向支撑横梁(11)的中间安装有经向横梁传递带限位器(53)；同样的，两根上层纬向支撑横梁(12)中的一根在杆的中间安装有一个上层横梁定位器(43)，与其平行的另一根上层纬向支撑横梁(12)的中间安装有纬向横梁传递带限位器(54)；上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)为圆柱杆；上述上层横梁定位器(43)、经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)可以沿着所安装轴轴心转动，但轴向自由度被限制；在安装有上层横梁定位器43的两根横梁(11、12)下方的平行位置分别平行安装有中层经向横梁15和中层纬向横梁16，其两端分别焊接在相应垂直立柱13的中间区域；垂直立柱(13)其截面为正方形；上述部件均进行连接固定；
所述的双轴向拉伸试样(2)预先裁切成“十”字形状，具体的尺寸根据实验设计确定；该试样(2)的四周均被经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)固定，并用螺栓紧固；
所述试样固定卡头(3)包括经向试样固定卡头(31)和纬向试样固定卡头(32)；它们与经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)均由两块面板组成，铝合金材质且形状完全相同；两板料相邻接触面为锯齿形，相互嵌入，被测双轴向试样(2)夹在两锯齿形板块中间；经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)的矩形表面上对称设计有四个螺栓孔，它们的安装方式完全相同且均通过螺栓进行紧固；
所述经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)是一种钢丝绳收紧器；通过旋转其上的花篮螺杆来调节双轴向拉伸试样(2)的初始位置；
所述上层横梁定位器(43)为圆柱环；该圆柱环与其安装轴同轴心，有转动自由度而轴向自由度被限制；圆柱环边缘连接一根圆柱，圆柱另一端连接一个空心圆环；经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)上的吊钩可以钩住该空心圆柱进行固定；
所述经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)通过纤维增强布料编织而成；其宽度与被测双轴向拉伸试样(2)的边宽相同；通过纤维增强面料编织而成的布料有弹性模量大不易拉伸变形的特性；
所述经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)用于限制经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)的轴向位移；经向横梁传递带限位器(53)和纬向横梁传递带限位器(54)分别与上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)同轴心且有转动自由度，但轴向自由度被限制；
所述经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)有多种不同重量的型号；上述砝码(61、62)为带缺口的圆柱体，缺口从圆心到圆柱的边缘，通过该缺口可以安放经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)在经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)上；
所述经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)是用麻绳；经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)是用弹力绳；
所述疲劳电机(71)的额定工作电压220V，可根据需要进行变频无级调速；疲劳电机(71)上的变载荷凸轮(72)为PP尼龙料，其轮廓曲线根据试验所需交变载荷大小、经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)的弹性模量K进行设计；变载荷凸轮(72)边缘有一个凹槽，可以嵌放经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)而防止其脱落跑偏；
所述弹性绳固定件(8)包括中心弹性绳固定球(81)和中心固定支柱(82)；将上述两者连接在一起组成弹性绳固定件(8)，用于固定经向载荷弹性绳(65) 和纬向载荷弹性绳(66)。
2.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：该上层经向支撑横梁(11)和上层纬向支撑横梁(12)为直径为20mm、长1m圆柱杆。
3.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：该垂直立柱(13)长800mm，其截面为正方形，边长为40mm。
4.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：该经向试样固定卡头(31)、纬向试样固定卡头(32)、经向载荷转接板(55)和纬向载荷转接板(56)的矩形表面上对称设计有四个螺栓孔，其螺栓孔直径为Ф6mm；它们的安装方式完全相同且均通过M6的螺栓进行紧固。
5.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：所述经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)是一种钢丝绳收紧器；通过旋转其上的花篮螺杆来调节双轴向拉伸试样(2)的初始位置，该花篮螺栓型号为M8。
6.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：所述上层横梁定位器(43)为内圆直径为15mm外圆直接为20mm轴向长12mm的圆柱环；该圆柱环与其安装轴同轴心，有转动自由度而轴向自由度被限制；圆柱环边缘连接一根长为6mm直径为3mm的圆柱，圆柱另一端连接一个空心圆环；经向位置松紧调节器(41)和纬向位置松紧调节器(42)上的吊钩能钩住该空心圆柱进行固定。
7.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：所述经向拉伸载荷传递带(51)和纬向拉伸载荷传递带(52)通过纤维增强布料编织而成；其宽度与被测双轴向拉伸试样(2)的边宽相同为300mm。
8.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：所述经向疲劳载荷砝码(61)和纬向疲劳载荷砝码(62)，其重量有50g至5000g；上述砝码(61、62)为带缺口的圆柱体，缺口从圆心到圆柱的边缘且其宽度为10mm，其材质均为铸铁。
9.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：所述经向载荷连接绳(63)和纬向载荷连接绳(64)是用直径为6mm的麻绳；经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)是用直径为3mm的弹力绳。
10.根据权利要求1所述的一种柔性纤维增强薄膜双轴向应力疲劳加载试验装置，其特征在于：所述弹性绳固定件(8)包括半径为70mm的中心弹性绳固定球(81)和截面边长为40mm的正方形轴向长260mm中心固定支柱(82)；将上述两者焊接在一起组成弹性绳固定件(8)，用于固定经向载荷弹性绳(65)和纬向载荷弹性绳(66)。
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| CN109724879A (zh) | 2019-05-07 |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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