CN110487625B - 一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，该夹具主要包括直边简支转动副、键、拐角简支转动副和调整垫片。其中不完整圆柱体与带不完整圆柱孔的压条之间为间隙配合，组成四边简支转动副；四分之一球与直角压条之间为球面间隙配合，组成拐角简支转动副；不完整圆柱体与四分之一球体之间采用普通平键连接，矩形板放入简支转动副不完整圆柱体的凹槽内，其上下分别放置适当厚度的调整垫片，用紧定螺钉将调整垫片压紧，从而将矩形板固定在夹具上，使板的中性面通过简支转动副中心轴线和四分之一球体心。四直边简支转动副与四拐角简支转动副相连，试件四边和四角均满足挠度和弯矩为零，为简支边界条件板的动、静力学实验奠定基础。

Description

一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具

技术领域

本申请涉及一种动、静力学实验夹具，具体涉及一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具。

背景技术

四边简支矩形板夹具约束工件四个边界的自由度，板四个边上的挠度W为零，弯矩M为零，用数学表达如式(1)所示。

其中：x和y是矩形板中面内任意点的坐标；x＝0,y＝0,x＝a,y＝b分别表示矩形板边界的四个边。

从目前的发明专利发现四边简支矩形板夹具均未对矩形板试验件的四个角做出处理，矩形板试验件四个角为自由状态，导致工件在夹角处的约束无法满足式(1)所示力学条件，用这样的夹具装夹试验件所得测量结果往往误差较大。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本申请目的在于提供一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具。

本申请具体采取的技术方案如下：

一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，用来夹装矩形板试验件，该夹具主要包括四个直边简支转动副、若干个连接键、四个拐角简支转动副和调整垫片；

每个直边简支转动副由一个不完整圆柱体和带不完整圆柱孔的矩形压条组成，所述的不完整圆柱体安装在矩形压条的不完整圆柱孔内，两者之间高精度定心间隙配合；

每个所述的拐角简支转动副包括一个直角压条和四分之一球体；在所述的直角压条上设有一个球面凹槽，所述的四分之一球体安装在该球面凹槽内，四分之一球体与直角压条之间为球面高精度定心间隙配合；所述的四分之一球体连接相邻的不完整圆柱体，所述的直角压条连接相邻的矩形压条，使得相邻的直边简支转动副夹角成90°；

四个直边简支转动副的不完整圆柱体上开有第一凹槽，四个拐角简支转动副的四分之一球体上开有第二凹槽，所有第一凹槽、第二凹槽的宽度相同且高度对称，用于装夹试验工件，凹槽对称中心线通过简支转动副中心，深度大于不完整圆柱体半径。

进一步的，四个直边简支转动副的不完整圆柱体两端开有第一键槽，四个拐角简支转动副的四分之一球体的两端开有第二键槽，所有第一键槽、第二键槽宽度相同且高度对称，通过键和螺钉将四直边简支转动副与四拐角简支转动副连接起来，实现不完整圆柱体与四分之一球体同步转动。

进一步的，所有装夹试验工件的凹槽和同步转动的键槽其对称面均在同一平面内，且经过四直边简支转动副和四拐角简支转动副的转动中心。

进一步的，所述的可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具还包括调整垫片，所述的调整垫片为上下表面有严格平行度要求的45°等腰梯形小板，具有一系列标准厚度尺寸，尺寸由简支转动副不完整圆柱体和四分之一球的夹持工件的凹槽决定，以适应不同厚度的矩形板试件。

进一步的，矩形板放入四直边简支转动副的不完整圆柱体和四拐角简支转动副的四分之一球的第一凹槽、第二凹槽内，其上下分别放置适当厚度的调整垫片，用若干个紧定螺钉将调整垫片压紧，从而将矩形板固定在夹具上，使板的中性面通过四直边简支转动副的中心轴线和四拐角简支转动副的四分之一球心，这样板的四边四角均满足简支边界条件。

进一步的，四个直边简支转动副与四个拐角简支转动副的配合面均为高精度定心间隙配合，配合面光洁度要非常高，工作时相互旋转表面要使用精密仪器的润滑油润滑。

进一步的，四个直边简支转动副与四个拐角简支转动副的转动零件，均采用轻质高弹性模量金属，以减小夹具工作时转动惯量对测试结果的影响。

进一步的，可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其夹紧板试验件的厚度可调，调整垫片有多种厚度以满足试验件厚度可调的要求，并将夹具设计成一优先尺寸系列标准件，实验试件系列的尺寸大小与该优先尺寸系列一致。

进一步的，夹具本身刚度足够大，固有频率远远高于被测矩形板的频率。

本申请由于采用了上述技术方案，使之与现行技术方案相比具有积极效果是：

本申请提出的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，由四直边简支转动副与四拐角简支转动副组成，不完整圆柱体和不完整圆柱孔之间为高精度的定心间隙配合，沿不完整圆柱体轴线方向加工一条凹槽，凹槽对称中心线通过转动副中心，深度大于不完整圆柱体半径，用于放置调整垫片和矩形板试验件，不完整圆柱体上安装有若干个螺钉用于夹紧工件，使矩形板一边上的挠度为零，弯矩M为零，实现了简支边界条件；并且在拐角处添加了四分之一球体，将试验件四个角从自由边界条件变为简支边界条件；独特的结构设计以及调整垫片和若干个紧定螺钉的使用增大了夹具的夹持能力，同时使矩形板的四边四角均满足了简支边界条件。夹具本身刚度足够大，固有频率远远高于被测矩形板的频率，防止动态测试的耦合效应。

附图说明

构成本申请的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为夹具主视图；

图2为夹具俯视图；

图3(a)为不完整圆柱体的主视图；

图3(b)为图3(a)的A—A剖视图；

图3(c)为图3(a)的左视图；

图4为调整垫片；

图5(a)为四分之一球体的主视图；

图5(b)为四分之一球体的左视图；

图5(c)为图5(a)的B—B剖视图；

图6(a)为带不完整圆柱孔压条的主视图；

图6(b)为图6(a)的C—C剖视图；

图7(a)为四分之一球体的直角压条的主视图；

图7(b)为四分之一球体的直角压条的左视图；

图7(c)为四分之一球体的直角压条的俯视图；

图7(d)为图7(a)的D—D剖视图；

图8为夹具某一边装配图；

图9为夹具三维装配爆炸图；

图10为夹具三维装配图。

其中：1—不完整圆柱体，2—紧定螺钉，3—调整垫片，4—带不完整圆柱孔压条，5—普通平键，6—四分之一球体，7—直角压条。注：带不完整圆柱孔压条与简支转动副不完整圆柱体配合，直角压条与四分之一球体配合。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在如下问题：不能有效实现板的四边简支边界条件；矩形板试验件四角属于自由边界条件，不满足简支边界条件。矩形板四边简支边界条件为：板四个边上的挠度W为零，弯矩M为零，具体如式(1)所示。

为了解决如上问题，本申请提出了一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，下面将结合图1-图10对本申请具体实施方式加以说明，这里：图1为夹具主视图，图2为夹具俯视图，图3(a)、图3(b)、图3(c)为不完整圆柱体1，图4为调整垫片，图5(a)、图5(b)、图5(c)为四分之一球体，图6(a)、图6(b)为带不完整圆柱孔压条，图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)为直角压条，图8为夹具某一边装配图，图9为夹具三维装配爆炸图，图10为夹具三维装配图。这里：1不完整圆柱体，2为紧定螺钉，3为调整垫片，4为带不完整圆柱孔压条，5为普通平键，6为四分之一球体，7为直角压条。

该实施例可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，具体如图1、2、8、9、10所示，主要包括四个直边简支转动副、若干个连接键5、四个拐角简支转动副和一系列的调整垫片3；

每个直边简支转动副由一个不完整圆柱体1和带不完整圆柱孔的压条4组成，不完整圆柱体和不完整圆柱孔之间为高精度的定心间隙配合，组成四直边简支转动副，圆柱体上安装有若干个螺钉2用于夹紧工件。

每个四分之一球转动副由四分之一球体6与直角压条7组成，四分之一球体与直角压条之间为高精度球面定心间隙配合，组成拐角简支转动副，安装在夹具四个角上，用于连接相邻的直边简支转动副，使其夹角成90°。

在四个直边简支转动副的不完整圆柱体两端开有键槽，具体如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示；四拐角简支转动副的四分之一球体的两端也开有键槽，具体如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示；所有键槽宽度相同且高度对称，通过键和螺钉将四直边简支转动副与四拐角简支转动副连接起来，实现不完整圆柱体与四分之一球体同步转动。

四个直边简支转动副的不完整圆柱体上开有凹槽，具体如图1、图3(a)、图3(b)、图3(c)、图8、图9、图10所示；四拐角简支转动副的四分之一球体上开有凹槽，具体如图5(a)、图5(b)、图5(c)、图8、图9所示；所有凹槽宽度相同且高度对称，用于装夹试验工件，凹槽对称中心线通过简支转动副中心，深度大于不完整圆柱体半径，具体如图1、图3(a)、图3(b)、图3(c)、图5(a)、图5(b)、图5(c)、图8、图9所示。

所有装夹试验工件的凹槽和同步转动的键槽其对称面均在同一平面内，且经过四直边简支转动副和四拐角简支转动副的转动中心，具体如图1、8所示。

调整垫片3为上下表面有严格平行度要求的45°等腰梯形小板，具体如图4所示，具有一系列标准厚度尺寸，尺寸由简支转动副不完整圆柱体和四分之一球体的夹持工件的凹槽决定，以适应不同厚度的矩形板试件。

矩形板放入四直边简支转动副的不完整圆柱体1和四拐角简支转动副的四分之一球体6的凹槽内，其上下分别放置适当厚度的调整垫片3，用若干个紧定螺钉将调整垫片压紧，从而将矩形板固定在夹具上，使板的中性面通过四直边简支转动副的中心轴线和四拐角简支转动副的四分之一球体心，这样板的四边四角均满足简支边界条件，具体如图1、2、8、9、10所示。

本申请的一种典型的实施方式中，可调式四边简支矩形板夹具包括如图图3(a)、图3(b)、图3(c)所示不完整圆柱体，如图6、图7所示压条，如图4所示调整垫片。装配成如图1、图2、图10所示结构，这些零件和组件通过螺栓、螺钉和键装配成一个整体——可调式四边简支矩形板夹具。不完整圆柱体加工成如图3所示，一面开有凹槽，另一面两端加工出键槽，以便与四分之一球体6连接装配。四分之一球体加工成如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，其上开键槽与不完整圆柱体键槽组合成一个完整的键槽，放入普通平键5，用螺钉固定，保证简支转动副和四分之一球体周向固定，轴向固定。

从图6所示的压条的一端将简支转动副不完整圆柱体1装配到4带不完整圆柱孔压条中，它们之间是高精度定心间隙配合，直角压条7与带不完整圆柱孔压条4用螺栓连接固定成一个整体，装配完成后如图8、图9和图10所示，组成完整的绕轴线转动的简支转动副；之后安装四分之一球体6，将四分之一球体键槽与简支转动副不完整圆柱体1一端所加工键槽对齐，用普通平键5使两零件周向固定，沉头螺钉拧紧固定普通平键，保证两部件轴向固定，周向轴向均无间隙；之后安装8直角压条，在四分之一球体面使用精密仪器的润滑油润滑，将直角压条沿轴向缓缓推进到适当位置，微调简支转动副使压条和直角压条两端紧密接触，消除间隙，用螺栓将直角压条固定到带不完整圆柱孔的压条上，完成安装；同理，按照以上方法将另外两边安装完毕，留下一边待固定好被测矩形板后；根据矩形板试验件的厚度从系列标准件中选取适当的调整垫片3放入简支转动副凹槽中，之后将矩形板试验件上下调整垫片放入凹槽，调整好上下调整垫片，转动紧定螺钉将调整垫片压紧，接触力适当，将矩形板试验件的三边固定；最后按以上步骤安装夹具第四条边，完成可调式四边简支夹具的装配，实现矩形板的四边简支。最后用压板将夹具整体压在工作台上，将夹具固定，也可直接使用T型螺钉固定在工作台上。安装完成后的四边简支夹具中，板的四条边上挠度W为零，弯矩M为零，满足四边简支边界条件。本方案既可解决夹具夹持力不足的问题，也可解决矩形板四边四角的边界条件问题。

夹具本身刚度足够大，固有频率远远高于被测矩形板的频率，防止动态测试的耦合效应。

四个直边简支转动副与四个拐角简支转动副的配合面均为高精度定心间隙配合，配合面光洁度要非常高，工作时相互旋转表面要使用精密仪器的润滑油润滑，本实施例使用精密数控机床用滑油润滑。

四个直边简支转动副与四个拐角简支转动副的转动零件，均采用轻质高刚度金属，以减小夹具工作时转动惯量对测试结果的影响，本实施例使用钛合金作为转动副的运动零件。

夹具本身刚度足够大，固有频率远远高于被测矩形板的频率，本实施例设计时重要零件的安全系数都选取的比较大，让可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具具有足够刚度。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，用来夹装矩形板试验件，其特征在于，包括四个直边简支转动副和四个拐角简支转动副；

每个直边简支转动副由一个不完整圆柱体和带不完整圆柱孔的矩形压条组成，所述的不完整圆柱体安装在矩形压条的不完整圆柱孔内，两者之间定心间隙配合；

每个所述的拐角简支转动副包括一个直角压条和四分之一球体；在所述的直角压条上设有一个球面凹槽，所述的四分之一球体安装在该球面凹槽内，四分之一球体与直角压条之间为球面定心间隙配合；所述的四分之一球体连接相邻的不完整圆柱体，所述的直角压条连接相邻的矩形压条，使得相邻的直边简支转动副夹角成90°；

所述的不完整圆柱体上开有第一凹槽，所述四分之一球体上开有第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽宽度相同且高度对称，用于装夹试验工件。

2.如权利要求1所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，所述第一凹槽、第二凹槽的对称中心线通过简支转动副中心，第一凹槽、第二凹槽的深度大于不完整圆柱体半径。

3.如权利要求1所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，四个不完整圆柱体的两端开有第一键槽，四个拐角简支转动副的四分之一球体的两端开有第二键槽，第一键槽和第二键槽的宽度相同且高度对称，通过键和螺钉将四个直边简支转动副与四拐角简支转动副连接起来，实现不完整圆柱体与四分之一球体同步转动。

4.如权利要求1所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，所有第一凹槽、第二凹槽和同步转动的键槽的对称面均在同一平面内，且经过四直边简支转动副和四拐角简支转动副的转动中心。

5.如权利要求1所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，还包括调整垫片，所述的调整垫片为上下表面具有平行度要求的45°等腰梯形小板。

6.如权利要求5所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，所述的调整垫片具有一系列标准厚度尺寸，尺寸由简支转动副不完整圆柱体和四分之一球体的夹持工件的第一凹槽、第二凹槽决定，以适应不同厚度的矩形板试件。

7.如权利要求5所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，矩形板放入第一凹槽、第二凹槽内，矩形板上下分别放置调整垫片，若干个紧定螺钉将调整垫片压紧，矩形板的中性面通过四个直边简支转动副的中心轴线和四拐角简支转动副的四分之一球心。

8.如权利要求1所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，四个直边简支转动副与四个拐角简支转动副的配合面均为定心间隙配合，工作时相互旋转表面有润滑油润滑。

9.如权利要求1所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，四个直边简支转动副与四个拐角简支转动副的转动零件，均采用轻质高弹性模量金属。

10.如权利要求1所述的一种可调式四边简支矩形板动、静力学实验用夹具，其特征在于，夹具的固有频率远远高于被测矩形板的频率。

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