CN110044690B - 用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置及方法，属于试验机与精密仪器技术领域。包含两个结构完全相同的左夹具和右夹具，冷却液管出口接头、冷却液管入口接头固定在支撑座上，通入循环冷却液以实现在高温环境下夹具制冷；夹持组件整体设置在支撑座安装孔内，通过销A与圆锥滚子轴承A、B、挡圈A、B的内圈配合，用于实现对被测试样的夹紧；调隙组件A、B分别固定在支撑座的两侧。优点在于：构思巧妙，功能多样，耐热性好，夹具刚度大，且试验过程中无间隙，集成性好，实用性强。

Description

用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置及方法
技术领域
本发明涉及试验机与精密仪器技术领域，特别涉及一种用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置及方法，可用于高温环境(1100℃)下为低频(5～50Hz)复杂载荷(拉伸-弯曲复合载荷)加载测试的试样提供牢固夹持，并基于用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置，提供了一种低频复杂载荷加载测试方法，为航空航天、汽车制造和国防军工等领域关键结构材料复杂工况下的力学性能测试评估提供技术保障。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，各领域关键材料的服役工况愈发复杂，对材料的测试需求日益增多，对材料力学性能测试方法的要求也越来越高。尤其在航空、航天、汽车等核心领域，一些关键结构如航空发动机涡轮叶片、飞机机翼、汽车发动机曲轴等往往在高温环境下工作，并同时承受低频交变载荷、拉伸载荷、弯曲载荷的复合作用。每年因为关键结构失效破坏导致的重大事故不胜枚举，导致国家经济损失巨大，究其根源在于对关键材料在高温复杂载荷作用下的变形损伤主导因素和失效机制不清，因此亟需提出能够模拟材料实际服役工况下的测试方法。
现有的材料测试方法多数基于传统材料试验机，以单一载荷测试为主(静态拉伸测试方法、静态弯曲测试方法等)，载荷复合加载能力较弱。与传统材料试验机相对应，常规的试样夹具标准化程度高、功能单一、架构复杂，受制于专用试样夹具，高温环境下的低频复杂载荷加载测试也难以开展。目前，拉伸-扭转复合加载测试方法，双轴拉伸测试方法等陆续被提出，但低频复杂载荷加载测试方法(即拉伸—弯曲、低频疲劳复合加载测试方法)还鲜有报道。
综上所述，面向关键结构材料实际服役工况下力学性能测试的重大需求，设计一种能够用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置，并提供一种低频复杂载荷的加载测试方法，对上述关键结构材料服役工况的模拟及其力学性能测试意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置及方法，解决了现有技术存在的加载功能单一、结构复杂的问题。本发明的夹具具有结构简单、加载功能多样、夹持牢固可靠的特点，可用于自制的具有高温加载功能、静动态拉伸加载功能、静动态弯曲加载功能的材料试验机上，结合本发明提出的低频复杂载荷加载测试方法，可为航空航天、汽车制造和国防军工等领域关键结构材料复杂工况下的力学性能测试评估提供技术保障。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置，包含两个结构完全相同的左夹具和右夹具，所述左夹具或右夹具是：冷却液管出口接头12、冷却液管入口接头13固定在支撑座4上，通入循环冷却液以实现在高温环境下夹具制冷；夹持组件8的销A81安装在支撑座4的安装孔内，销A81的一端安装挡圈A7和圆锥滚子轴承A6，另一端安装挡圈B9和圆锥滚子轴承B10，实现绕圆锥滚子轴承A6、圆锥滚子轴承B10轴线的低摩擦转动，对被测试样2进行夹紧；结构相同的调隙组件A5、调隙组件B11分别固定在支撑座4的两侧；
所述调隙组件A5包括蝶形零件51、调节螺钉52、螺母53、螺钉54、快换端盖55，所述快换端盖55通过螺钉54与支撑座4刚性连接，调节螺钉52与快换端盖55的内螺纹配合，并通过螺母53进行锁紧，将调节螺钉52端部抵入蝶形零件51中间的小孔，通过转动调节螺钉52实现对圆锥滚子轴承A6、圆锥滚子轴承B10轴承游隙的调节；支撑座4端部设置有圆柱夹持端，试样夹持装置整体被夹持在带有V型钳口的商业化液压夹具3上。
所述的夹持组件8包括销A81、螺母A82、螺母B83、下夹持块84、上夹持块85、销B86，所述销A81中部环面与下夹持块84上的通孔过盈配合，上夹持块85与下夹持块84配合，销B86依次穿过上夹持块85、被测试样2、下夹持块84上的销孔，利用螺母A82、螺母B83与销B86下端的螺纹配合，实现对被测试样2的牢固夹持。
所述的支撑座4采用一体化闭合式框架结构，支撑座4由热胀系数较小的高温合金制成，内部开有对称分布的内部冷却流道，试验时通过冷却液管出口接头12、冷却液管入口接头13与外部冷却流道相连，利用循环制冷装置在支撑座4内通入循环冷却液实现在高温环境下夹具的制冷。
本发明的另一目的在于提供一种低频复杂载荷的加载测试方法，具体步骤如下：
步骤一、夹持组件8对中：以左夹具或右夹具上的夹持组件8侧面，即垂直于被测试样的夹持面为基准，调整右夹具或左夹具上的调隙组件A5和调隙组件B11，直至左夹具和右夹具上的夹持组件8对中；
步骤二、轴承游隙调整：因为试验中需要加载低频疲劳载荷，要求加载载荷链中不允许存在间隙，故需在试验前调整轴承游隙为0。保持左夹具和右夹具同侧的两调隙组件A5不动，作为基准，用定力矩扳手转动另一侧的调隙组件B11的调节螺钉52，调整轴承游隙为0；
步骤三、试样安装：将被测试样2夹持端置于夹持组件8的上夹持块85与下夹持块84之间的凹槽中，销B86依次穿过上夹持块85、被测试样2、下夹持块84上的销孔，利用螺母A82、螺母B83与销B86下端的螺纹配合，实现对被测试样2的夹持安装；
步骤四、低频复杂载荷的加载：
静态拉伸载荷的加载：启动外部的试验机中的静态拉伸加载单元，带动左夹具和右夹具相向运动，实现对被测试样2的静态拉伸载荷加载；
静态弯曲载荷的加载：启动外部的试验机中的静态弯曲加载单元，实现对被测试样的静态弯曲载荷加载；当进行静态弯曲载荷加载时，被测试样2与夹持组件8一起绕圆锥滚子轴承A6、圆锥滚子轴承B10轴线的低摩擦转动，使被测试样2不会承受额外剪切力的影响；
低频弯曲载荷的加载：启动外部的试验机中的低频弯曲加载单元，实现对被测试样2的低频弯曲载荷加载；
至此，完成被测试样2的低频复杂载荷加载；
步骤五、被测试样2挠曲变形结果修正。
本发明的有益效果在于：构思巧妙，将圆锥滚子轴承应用在试样夹具上，使得被测试样的夹持端在进行拉伸-弯曲复合加载时不会额外承受剪切力；功能多样，可夹持低频复杂载荷试样、常规拉伸试样、常规弯曲试样；耐热性好，能够在高达1100℃的高温环境下使用；夹具刚度大，且试验过程中无间隙；可用于自制的具有高温加载功能、静动态拉伸加载功能、静动态弯曲加载功能的材料试验机上；所提供的低频复杂载荷加载测试方法，弥补了现有测试方法的不足，为航空航天、汽车制造和国防军工等领域关键结构材料复杂工况下的力学性能测试评估提供技术保障。集成性好，可为航空航天、汽车制造和国防军工等领域关键结构材料复杂工况下的力学性能测试评估提供技术保障。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明与商业化液压夹具间的安装关系简图；
图2为本发明的整体结构分解图；
图3为被测试样结构示意图；
图4为本发明的调隙组件结构分解图；
图5为本发明的夹持组件结构分解图；
图6为本发明的支撑座内部冷却流道示意图；
图7为本发明的圆锥滚子轴承部分结构剖视图；
图8为常规夹具拉伸—弯曲复合加载后试样形变图；
图9为本发明拉伸—弯曲复合加载后试样变形示意图；
图10为加载前本发明及被测试样模型简化示意图；
图11为本发明试验过程中的加载模型简化示意图。
图中：1、试样夹持装置；2、被测试样；3、商业化液压夹具；4、支撑座；5、调隙组件A；51、蝶形零件；52、调节螺钉；53、螺母；54、螺钉；55、快换端盖；6、圆锥滚子轴承A；7、挡圈A；8、夹持组件；81、销A；82、螺母A；83、螺母B；84、下夹持块；85、上夹持块；86、销B；9、挡圈B；10、圆锥滚子轴承B；11、调隙组件B；12、冷却液管出口接头；13、冷却液管入口接头。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图11所示，本发明的用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置及方法，装置具有结构简单、功能多样、夹持牢固可靠的特点，可用于自制的(同时)具有高温加载功能、静动态拉伸加载功能、静动态弯曲加载功能的材料试验机上，为航空航天、汽车制造和国防军工等领域关键结构材料复杂工况下的力学性能测试评估提供技术保障。
本发明的用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置，包含两个结构完全相同的左夹具和右夹具，所述左夹具或右夹具是：冷却液管出口接头12、冷却液管入口接头13固定在支撑座4上，用于通入循环冷却液以实现在高温环境下夹具制冷；夹持组件8整体设置在支撑座安装孔内，通过销A与圆锥滚子轴承A、圆锥滚子轴承B、挡圈A、挡圈B的内圈配合，用于实现对被测试样的夹紧；夹持组件8的销A81安装在支撑座4的安装孔内，销A81的一端安装挡圈A7和圆锥滚子轴承A6，另一端安装挡圈B9和圆锥滚子轴承B10，实现绕圆锥滚子轴承A6、圆锥滚子轴承B10轴线的低摩擦转动，对被测试样2进行夹紧；结构相同的调隙组件A5、调隙组件B11分别通过螺钉与支撑座刚性连接，用于实现圆锥滚子轴承游隙的调节；所述调隙组件A5包括蝶形零件51、调节螺钉52、螺母53、螺钉54、快换端盖55，所述快换端盖55通过螺钉54与支撑座4刚性连接，调节螺钉52与快换端盖55的内螺纹配合，并通过螺母53进行锁紧，将调节螺钉52端部抵入蝶形零件51中间的小孔，通过转动调节螺钉52实现对圆锥滚子轴承A6、圆锥滚子轴承B10轴承游隙的调节；支撑座4端部设置有圆柱夹持端，将本发明的用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置1整体被夹持在带有V型钳口的商业化液压夹具3上。
所述的夹持组件8包括销A81、螺母A82、螺母B83、下夹持块84、上夹持块85、销B86，所述销A81中部环面与下夹持块84上的通孔过盈配合，上夹持块85与下夹持块84配合，销B86依次穿过上夹持块85、被测试样2、下夹持块84上的销孔，利用螺母A82、螺母B83与销B86下端的螺纹配合，实现对被测试样2的牢固夹持。
所述的支撑座4采用一体化闭合式框架结构，保证足够大的刚度；支撑座4由热胀系数较小的高温合金制成，内部开有对称分布的内部冷却流道，试验时通过冷却液管出口接头12、冷却液管入口接头13与外部冷却流道相连，利用循环制冷装置在支撑座4内通入循环冷却液实现在高温环境下夹具的制冷，防止高温加载的过程中，被测材料试样标距段的高温干扰传感器的测量结果。
参见图1至图11所示，其中图8、图9为本发明与常规夹具拉伸—弯曲复合加载效果对比图，图10、图11为本发明试验过程中的加载模型简化示意图。本发明的低频复杂载荷加载测试方法，真实模拟材料实际服役工况同时承受拉伸—弯曲复合载荷、低频疲劳载荷，实现对试样低频复杂载荷加载下材料力学性能的测试。当进行低频复杂载荷加载测试时，具体步骤如下：
步骤一、夹持组件8对中：以左夹具或右夹具上的夹持组件8侧面，即垂直于被测试样的夹持面为基准，调整右夹具或左夹具上的调隙组件A5和调隙组件B11，直至左夹具和右夹具上的夹持组件8对中；
步骤二、轴承游隙调整：因为试验中需要加载低频疲劳载荷，要求加载载荷链中不允许存在间隙，故需在试验前调整轴承游隙为0。保持左夹具和右夹具同侧的两调隙组件A5不动，作为基准，用定力矩扳手转动另一侧的调隙组件B11的调节螺钉52，调整轴承游隙为0；
步骤三、试样安装：将被测试样2夹持端置于夹持组件8的上夹持块85与下夹持块84之间的凹槽中，销B86依次穿过上夹持块85、被测试样2、下夹持块84上的销孔，利用螺母A82、螺母B83与销B86下端的螺纹配合，实现对被测试样2的夹持安装；
步骤四、低频复杂载荷的加载：
静态拉伸载荷的加载：启动外部的试验机中的静态拉伸加载单元，带动左夹具和右夹具相向运动，实现对被测试样2的静态拉伸载荷加载；
静态弯曲载荷的加载：启动外部的试验机中的静态弯曲加载单元，实现对被测试样的静态弯曲载荷加载；当进行静态弯曲载荷加载时，被测试样2与夹持组件8一起绕圆锥滚子轴承A6、圆锥滚子轴承B10轴线的低摩擦转动，使被测试样2不会承受额外剪切力的影响；
低频弯曲载荷的加载：启动外部的试验机中的低频弯曲加载单元，实现对被测试样2的低频弯曲载荷加载；
至此，完成被测试样2的低频复杂载荷加载；
步骤五、被测试样2挠曲变形结果修正。
本发明试样标距段中心点的挠度计算如下：
试验在被测试样的弹性变形范围内进行，由于夹持组件8的刚度远大于试样标距段刚度，因此可认为夹具为刚体(忽略支撑座4、销A81、销B86在试验过程中的微小弹性变形)，且试样销孔在试验过程中的微小局部变形可忽略。
对于弯曲变形，根据材料弹性弯曲变形理论，可得出：
Figure BDA0002063707010000071
式中：θ′被测试样横截面相对其初始位置的转角，F为静态弯曲载荷，x′为试验过程中两个夹持组件8端部中心点间的距离，E为被测试样的弹性模量，I为被测试样的横截面对弯曲中性轴的惯性矩。
由试样与夹具的安装关系可知，AB与BC相切，CD与BC相切，即：
θ＝θ′ (2)
x′＝2L(1-cosθ)+x (3)
式中：θ为夹持组件8横截面相对其初始位置的转角，L为两个夹持组件8端部与其旋转轴间的距离。
将公式(3)带入公式(1)，解得：
Figure BDA0002063707010000081
试样标距段中心点的位移为：
Figure BDA0002063707010000082
则试样标距段中心点的挠度为：
Figure BDA0002063707010000083
由于夹具并非完全刚性(支撑座4、销A81、销B86在试验过程中会产生微小的弹性变形)，且被测试样销孔在试验过程中会产生微小局部变形，故引入修正系数α，得出试样标距段中心点的挠度为：
Figure BDA0002063707010000084
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置，其特征在于：包含两个结构完全相同的左夹具和右夹具，所述左夹具或右夹具是：冷却液管出口接头（12）、冷却液管入口接头（13）固定在支撑座（4）上，通入循环冷却液以实现在高温环境下夹具制冷；夹持组件（8）的销A（81）安装在支撑座（4）的安装孔内，销A（81）的一端安装挡圈A（7）和圆锥滚子轴承A（6），另一端安装挡圈B（9）和圆锥滚子轴承B（10），实现绕圆锥滚子轴承A（6）、圆锥滚子轴承B（10）轴线的低摩擦转动，对被测试样（2）进行夹紧；结构相同的调隙组件A（5）、调隙组件B（11）分别固定在支撑座（4）的两侧；
所述调隙组件A（5）包括蝶形零件（51）、调节螺钉（52）、螺母（53）、螺钉（54）、快换端盖（55），所述快换端盖（55）通过螺钉（54）与支撑座（4）刚性连接，调节螺钉（52）与快换端盖（55）的内螺纹配合，并通过螺母（53）进行锁紧，将调节螺钉（52）端部抵入蝶形零件（51）中间的小孔，通过转动调节螺钉（52）实现对圆锥滚子轴承A（6）、圆锥滚子轴承B（10）轴承游隙的调节；支撑座（4）端部设置有圆柱夹持端，试样夹持装置整体被夹持在带有V型钳口的商业化液压夹具（3）上。
2.根据权利要求1所述的用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置，其特征在于：所述的夹持组件（8）包括销A（81）、螺母A（82）、螺母B（83）、下夹持块（84）、上夹持块（85）、销B（86），所述销A（81）中部环面与下夹持块（84）上的通孔过盈配合，上夹持块（85）与下夹持块（84）配合，销B（86）依次穿过上夹持块（85）、被测试样（2）、下夹持块（84）上的销孔，利用螺母A（82）、螺母B（83）与销B（86）下端的螺纹配合，实现对被测试样（2）的牢固夹持。
3.根据权利要求1所述的用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置，其特征在于：所述的支撑座（4）采用一体化闭合式框架结构，支撑座（4）由高温合金制成，内部开有对称分布的内部冷却流道，试验时通过冷却液管出口接头（12）、冷却液管入口接头（13）与外部冷却流道相连，利用循环制冷装置在支撑座（4）内通入循环冷却液实现在高温环境下夹具的制冷。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的用于高温低频复杂载荷加载测试的试样夹持装置进行低频复杂载荷加载测试的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、夹持组件（8）对中：以左夹具或右夹具上的夹持组件（8）侧面，即垂直于被测试样的夹持面为基准，调整右夹具或左夹具上的调隙组件A（5）和调隙组件B（11），直至左夹具和右夹具上的夹持组件（8）对中；
步骤二、轴承游隙调整：保持左夹具和右夹具同侧的两调隙组件A（5）不动，作为基准，用定力矩扳手转动另一侧的调隙组件B（11）的调节螺钉（52），调整轴承游隙为0；
步骤三、试样安装：将被测试样（2）夹持端置于夹持组件（8）的上夹持块（85）与下夹持块（84）之间的凹槽中，销B（86）依次穿过上夹持块（85）、被测试样（2）、下夹持块（84）上的销孔，利用螺母A（82）、螺母B（83）与销B（86）下端的螺纹配合，实现对被测试样（2）的夹持安装；
步骤四、低频复杂载荷的加载：
静态拉伸载荷的加载：启动外部的试验机中的静态拉伸加载单元，带动左夹具和右夹具相向运动，实现对被测试样（2）的静态拉伸载荷加载；
静态弯曲载荷的加载：启动外部的试验机中的静态弯曲加载单元，实现对被测试样的静态弯曲载荷加载；当进行静态弯曲载荷加载时，被测试样（2）与夹持组件（8）一起绕圆锥滚子轴承A（6）、圆锥滚子轴承B（10）轴线的低摩擦转动，使被测试样（2）不会承受额外剪切力的影响；
低频弯曲载荷的加载：启动外部的试验机中的低频弯曲加载单元，实现对被测试样（2）的低频弯曲载荷加载；
至此，完成被测试样（2）的低频复杂载荷加载；
步骤五、被测试样（2）挠曲变形结果修正。
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