CN110658078A - 双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置及方法,尤其对橡胶、沥青、固体推进剂等粘弹性材料的双轴拉伸蠕变的测试方法与测试装置;包括支撑架,支撑架底部设有底座,其特征在于,所述支撑架上设有支撑组件,支撑组件上相连有拉伸组件,拉伸组件与测量组件相连来对试件进行测试;本发明适合橡胶、沥青、固体推进剂等多种粘弹性材料,当采用强度较高材料制作本装置时,可以测量岩石等较硬材料的双轴蠕变行为,尤其适用于蠕变过程第Ⅰ阶段(减速蠕变阶段)和第Ⅱ阶段(稳定蠕变阶段)蠕变行为的测量分析。
Description
技术领域
本发明涉及双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置及方法,尤其对橡胶、沥青、固体推进剂等粘弹性材料的双轴拉伸蠕变的测试方法与测试装置。
背景技术
蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下,应变随时间延长而不断增加的现象。塑性变形通常在应力超过弹性极限之后出现,而蠕变只要应力的作用时间相当长,它在应力小于弹性极限时也能出现。橡胶,沥青、混凝土、含能材料等粘弹性材料在使用和贮存过程中,不可避免的在自身重力或外载荷作用下会发生蠕变效应,使材料内部产生损伤、结构产生变形,影响着整个结构的完整性,甚至发生安全事故。因此,对粘弹性材料的蠕变效应进行研究是十分必要的;
在实际的工况环境下,材料的受力是一个复杂的过程,很难满足理想状态下只受单轴应力状态,比如处于储存状态的固体火箭发动机,在实际储存过程中,固体推进剂的实际受力状态并不是一个简单的单轴受力过程,在很多应力集中部位处于双轴受拉状态。在对结构进行分析时,应尽可能的对材料的实际受力状态进行分析,因此需要对材料在双轴情况下的蠕变性能进行研究;
目前,研究机构所采用的蠕变测量装置较多采用在单轴情况下进行的,并没有一种适合粘弹性材料的机械式双轴拉伸蠕变性能测试装置。而且实验在相对较高的应力水平下的条件下进行的,由此将造成拉力波动较大、试验载荷难以反映工件实际工况、试验环境难以控制等缺点。传统的机械式双轴蠕变夹持装置很难控制双轴的应力状态,比如国家知识产权局公布了申请号为201811551678.3、名称为:单轴拉伸转换双轴拉伸的实验装置的发明专利,虽然能实现在单轴情况下实现双轴的拉伸,但在横向载荷为不可控的变应力拉伸;再如国家知识产权局公布了申请号为201110182232.X、名称为:双轴同步拉伸装置的发明专利虽然能实现双轴的等比拉伸,但双轴的拉伸比例不可调节。再如国家知识产权局公布了申请号为201510586604.3、名称为拉伸比例可调式双轴拉伸夹具,虽然实现了在双轴情况下比例可调,但无法控制双轴有效施加载荷的大小,而且接触摩擦不可避免地对实验造成较大的误差。并且双轴试验过程中试件的应变测量较难,若采用复杂电子式蠕变试验机,则会因为蠕变试验耗时长,而造成较大的人力和能源浪费。因此,需要一种用于实现材料双轴拉伸且载荷可调的设备进行蠕变试验,并且设备结构简单,安装方便,测量准确,成本低廉,适用于橡胶、沥青、固体推进剂等材料的双轴拉伸蠕变试验及生产;
在双轴拉伸蠕变过程中,控制材料中间计算区域的应力保持恒定不变是双轴蠕变拉伸实验的又一大难点,传统的双轴拉伸实验装置配套的双轴拉伸十字型试件,虽然能保证中间区域处于双轴拉伸状态,但无法控制在拉伸过程中间区域的应力大小。因此,需要设计一种保证材料在双轴拉伸情况下中间计算区域应力可控的双轴拉伸试件进行双轴拉伸蠕变实验。
发明内容
针对现有技术中提到的问题,本发明克服背景技术的不足和缺陷,提供一种粘弹性材料蠕变性能进行双轴加载、测量方式简单、成本极低且稳定的双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置及方法。
本发明双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置及方法,包括支撑架,支撑架底部设有底座,所述支撑架上设有支撑组件,支撑组件上相连有拉伸组件,拉伸组件与测量组件相连来对试件进行测试;所述拉伸组件包括横轴左夹具、横轴右夹具、纵轴同步架、纵轴上夹具、纵轴下夹具、拉伸转动杆,横轴左夹具与横轴右夹具沿水平方向相对设置,纵轴上夹具与纵轴下夹具沿竖直方向相对设置,其中,纵轴上夹具与纵轴下夹具还与纵轴同步架通过拉伸转动杆相连;还包括标尺,所述标尺的中心轴线与试件的中心轴线位于同一竖直平面内。
优选地,所述支撑组件包括纵轴上支撑杆、横轴上支撑杆、横轴中支撑杆、横轴下支撑杆、纵轴下支撑杆,纵轴上支撑杆与纵轴下支撑杆两端均与支撑架固定相连,纵轴同步架一端与纵轴上支撑杆贯穿相连,另一端与纵轴下支撑杆贯穿相连,其中,横轴上支撑杆、横轴中支撑杆及横轴下支撑杆两端均与支撑架相连,并呈三角形设置形成限位空间,横轴左夹具与横轴右夹具均设置在限位空间中。
优选地,所述测量组件包括上滑轮、左滑轮、右滑轮、横轴载荷杆、第一砝码盘、第二砝码盘、第三砝码盘、拉线I、拉线II、拉线III及拉线IV,拉线I一端绕过设置在支撑架顶部的上滑轮与纵轴上夹具相连,另一端与第一砝码盘相连,纵轴下夹具通过拉线II与第二砝码盘相连,其中,左滑轮与右滑轮分别设置在支撑架两端,拉线III一端绕过左滑轮与横轴左夹具相连,另一端与横轴载荷杆缠绕相连,拉线IV一端绕过右滑轮与横轴右夹具相连,另一端与横轴载荷杆缠绕相连,横轴载荷杆与第三砝码盘相连,横轴载荷杆两端与支撑架通过对应的导轨滑动相连。
优选地,所述上滑轮、左滑轮及右滑轮均通过对应的支撑座设置于支撑架上,且拉线I、拉线II、拉线III及拉线IV互不干扰。
优选地,还包括标尺支架和标尺滑动杆,标尺支架之间通过标尺滑动杆相连,标尺设置在标尺滑动杆上并与之滑动相连,标尺支架两端分别与纵轴上支撑杆、纵轴下支撑杆相连。
优选地,还包括第一支撑槽和第二支撑槽,所述第一支撑槽位于支撑架上且高于横轴载荷杆设置,第二支撑槽设于底座中。
优选地,所述第一支撑槽和第二支撑槽内均设有第一垫片,横轴载荷杆与支撑架之间还设有第二垫片。
优选地,所述纵轴上支撑杆与纵轴支撑杆上还设有限位块。
优选地,在拉伸试件过程中,该试件中间计算区域内受力均匀且与试件两端受力大小满足以下比例关系,公式如下:
为在拉伸过程中计算区域横向或纵向所受的应力;
本发明相对于现有技术,取得了以下的技术效果:
1.本发明适合橡胶、沥青、固体推进剂等多种粘弹性材料,当采用强度较高材料制作本装置时,可以测量岩石等较硬材料的双轴蠕变行为,尤其适用于蠕变过程第Ⅰ阶段(减速蠕变阶段)和第Ⅱ阶段(稳定蠕变阶段)蠕变行为的测量分析;
2.本发明中的标尺可以实现双轴调节,测量调节方便;
3.本发明纵轴上下夹具通过纵轴同步架相作用,可以实现在纵轴方向同步运动,使得在纵轴方向上下拉伸相同的应力;
4.本发明测量区域为试件中间标线区域,在蠕变试验等准静态试验过程中,滑轮拉线的弹塑性变化不会对其应力产生影响;
5.本发明可通过改变托盘砝码重量给试件在横向和纵向不同的应力,可以实现纵轴和横向同应力测量,等比例测量、试验过程变载测量等多种加载方式;
6.本发明工作原理简单,操作方便,测量结果可靠,通用性较强,造价低廉,在试验过程通过砝码改变载荷,稳定,节能,环保。
附图说明
图1为本发明整体结构正面示意图。
图2为本发明左面示意图。
图3为本发明立体示意图。
图4为本发明试件示意图。
图5为本发明试件与金属支撑柄粘接示意图。
图6为本发明试件的计算区域示意图。
附图标记:1-支撑架、2-纵轴同步架、3-拉伸转动杆、4-纵轴上夹具、5-纵轴下夹具、6-横轴左夹具、7-横轴右夹具、8-试件、9-上滑轮、10-拉线I、11-右滑轮、12-左滑轮、13-横轴载荷杆、14-第一砝码盘、15-第二砝码盘、16-第三砝码盘、17-第一支撑槽、18-拉线III、19-第二支撑槽、20-拉线II、21-标尺、22-标尺支架、23-第一垫片、24-标尺滑动杆、25-第二垫片、26-纵轴上支撑杆、27-横轴上支撑杆、28-横轴中支撑杆、29-横轴下支撑杆、30-限位块、31-导轨、32-底座、33-纵轴下支撑杆、34-拉线IV;35-计算区域;36-金属支撑柄。
具体实施方式
实施例1
本发明双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置及方法,包括支撑架1,支撑架1底部设有底座32,所述支撑架1上设有支撑组件,支撑组件上相连有拉伸组件,拉伸组件与测量组件相连来对试件8进行测试;所述拉伸组件包括横轴左夹具6、横轴右夹具7、纵轴同步架2、纵轴上夹具4、纵轴下夹具5、拉伸转动杆3,横轴左夹具6与横轴右夹具7沿水平方向相对设置,纵轴上夹具4与纵轴下夹具5沿竖直方向相对设置,其中,纵轴上夹具4与纵轴下夹具5还与纵轴同步架2通过拉伸转动杆3相连;还包括标尺21,所述标尺21的中心轴线与试件8的中心轴线位于同一竖直平面内。
本实施例中,支撑架1对整个装置起固定支撑作用,支撑组件为多个支撑杆,支撑杆为拉伸组件提供支撑作用,拉伸组件包括沿上下左右四个方向对应设置的横轴左夹具6、横轴右夹具7、纵轴上夹具4、纵轴下夹具5,多个夹具形成十字型设置,值得提到的是,本实施例中所用的试件8形状、大小需与拉伸组件相匹配,即如图4所示,其中,横轴左夹具6、横轴右夹具7、纵轴上夹具4、纵轴下夹具5上还设有多个通孔,而试件8上也设有与通孔相匹配的小孔,通孔与小孔之间通过销子相连;设置的纵轴同步架2分别与纵轴上夹具4、纵轴下夹具5相连,保证这纵轴上下夹具能实现同步运动,从而保证了给试件8在纵轴方向提供相同的力,本实施例中的标尺21呈正方形结构且为透明设置,标尺21上刻有呈十字型的刻度,刻度能准确得知应力变化。
所述支撑组件包括纵轴上支撑杆26、横轴上支撑杆27、横轴中支撑杆28、横轴下支撑杆29、纵轴下支撑杆33,纵轴上支撑杆26与纵轴下支撑杆33两端均与支撑架1固定相连,纵轴同步架2一端与纵轴上支撑杆26贯穿相连,另一端与纵轴下支撑杆33贯穿相连,其中,横轴上支撑杆27、横轴中支撑杆28及横轴下支撑杆29两端均与支撑架1相连,并呈三角形设置形成限位空间,横轴左夹具6与横轴右夹具7均设置在限位空间中。
本实施例中,横轴中支撑杆28、纵轴上支撑杆26、纵轴下支撑杆33的两端均贯穿支撑架1侧壁设置,横轴上支撑杆27和横轴下支撑杆29为非贯穿设置,上述支撑组件的两端与支撑架1均通过螺母固定相连,在设置过程中,横轴中支撑杆28与横轴上支撑杆27、横轴下支撑杆29不在竖直平面内,会形成一个三角形的限位空间,横轴左夹具6和横轴右夹具7均设置在限位空间中,为横轴左夹具6和横轴右夹具7提供支撑滑动作用。
所述测量组件包括上滑轮9、左滑轮12、右滑轮11、横轴载荷杆13、第一砝码盘14、第二砝码盘15、第三砝码盘16、拉线I10、拉线II20、拉线III18及拉线IV34,拉线I10一端绕过设置在支撑架1顶部的上滑轮9与纵轴上夹具4相连,另一端与第一砝码盘14相连,纵轴下夹具5通过拉线II20与第二砝码盘15相连,其中,左滑轮12与右滑轮11分别设置在支撑架1两端,拉线III18一端绕过左滑轮12与横轴左夹具6相连,另一端与横轴载荷杆13缠绕相连,拉线IV34一端绕过右滑轮11与横轴右夹具7相连,另一端与横轴载荷杆13缠绕相连,横轴载荷杆13与第三砝码盘16相连,横轴载荷杆13两端与支撑架1通过对应的导轨31滑动相连。所述上滑轮9、左滑轮12及右滑轮11均通过对应的支撑座设置于支撑架1上,且拉线I10、拉线II20、拉线III18及拉线IV34互不干扰。
本实施例中,通过相连地上滑轮9、拉线I10、第一砝码盘14和相连地拉线II20、第二砝码盘15可实现纵轴上夹具4和纵轴下夹具5通过增减砝码,保证纵轴方向受相同的力;通过设置在支撑架1两端的左滑轮12和右滑轮11连接拉线III18,拉线IV34带动横轴载荷杆13在导轨31上移动,保证了横轴方向受相同的力,横轴载荷杆13通过连接的第三砝码盘16增减砝码来实现力的改变。
还包括标尺支架22和标尺滑动杆24,标尺支架22之间通过标尺滑动杆24相连,标尺21设置在标尺滑动杆24上并与之滑动相连,标尺支架22两端分别与纵轴上支撑杆26、纵轴下支撑杆33相连。
本实施例中,纵轴上支撑杆26与纵轴下支撑杆33中部设有螺纹,标尺支架22相连时通过螺纹相连,调整到合适位置后并通过螺母固定,可实现标尺21的横向移动;标尺21与标尺滑动杆24同样采用螺纹相连,调整到合适位置后并通过螺母固定,可实现标尺21的竖向移动。
还包括第一支撑槽17和第二支撑槽19,所述第一支撑槽17位于支撑架1上且高于横轴载荷杆13设置,第二支撑槽19设于底座32中。所述第一支撑槽17和第二支撑槽19内均设有第一垫片23,横轴载荷杆13与支撑架1之间还设有第二垫片25。
本实施例中,第一支撑槽17和第二支撑槽19用于承接来自纵轴上下夹具和横轴左右夹具上的由于测量试件8而断裂掉落的砝码,第一垫片23用于减少砝码掉落产生的冲击,第二垫片25用于减少当试件8轴向断裂时横轴载荷杆13对支撑架1的冲击。
所述纵轴上支撑杆26与纵轴支撑杆上还设有限位块30。
在拉伸试件8过程中,该试件8中间计算区域内受力均匀且与试件8两端受力大小满足以下比例关系,公式如下:
本实施例中,以横向(x方向)为例,纵向(y方向)与横向具有相同的关系,如;为拉伸过程中间计算区域35横向所受的应力,为横向所施加的应力,与 相对应, 为计算区域35中横向切面面积,同理,纵向(y方向)也如此。
在拉伸的过程中,通过试件8上的刻度变化可得出所受应变,再根据制作试件8时面积,根据公式得到测量结果。
使用时,首先制作试件8,并与金属支撑柄36粘接来进行安装,试件8制作完成后需在表面用细线标出测试范围,安装试件8,通过销子将试件8上的金属支撑柄36分别与纵轴上夹具4、纵轴下夹具5、横轴右夹具7、横轴左夹具6相连,同时移动标尺21,沿水平方向和竖直方向移动,将标尺21的零刻度与试件8中心对齐,并通过螺母锁紧,根据试验载荷要求,分别在第一砝码盘14、第二砝码盘15、第三砝码盘16上安装砝码,进行测试观察刻度变化并记录,并通过公式来计算应力大小。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同,不同之处在于,在观察刻度时,也可采用摄像机,将摄像机的中心对准标尺21的零刻度位置,可对材料不同时刻应力变化进行分析。
Claims (9)
1.双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,包括支撑架,支撑架底部设有底座,其特征在于,所述支撑架上设有支撑组件,支撑组件上相连有拉伸组件,拉伸组件与测量组件相连来对试件进行测试;
所述拉伸组件包括横轴左夹具、横轴右夹具、纵轴同步架、纵轴上夹具、纵轴下夹具、拉伸转动杆,横轴左夹具与横轴右夹具沿水平方向相对设置,纵轴上夹具与纵轴下夹具沿竖直方向相对设置,其中,纵轴上夹具与纵轴下夹具还与纵轴同步架通过拉伸转动杆相连;
还包括标尺,所述标尺的中心轴线与试件的中心轴线位于同一竖直平面内。
2.根据权利要求1所述双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,其特征在于,所述支撑组件包括纵轴上支撑杆、横轴上支撑杆、横轴中支撑杆、横轴下支撑杆、纵轴下支撑杆,纵轴上支撑杆与纵轴下支撑杆两端均与支撑架固定相连,纵轴同步架一端与纵轴上支撑杆贯穿相连,另一端与纵轴下支撑杆贯穿相连,其中,横轴上支撑杆、横轴中支撑杆及横轴下支撑杆两端均与支撑架相连,并呈三角形设置形成限位空间,横轴左夹具与横轴右夹具均设置在限位空间中。
3.根据权利要求2所述双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,其特征在于,所述测量组件包括上滑轮、左滑轮、右滑轮、横轴载荷杆、第一砝码盘、第二砝码盘、第三砝码盘、拉线I、拉线II、拉线III及拉线IV,拉线I一端绕过设置在支撑架顶部的上滑轮与纵轴上夹具相连,另一端与第一砝码盘相连,纵轴下夹具通过拉线II与第二砝码盘相连,其中,左滑轮与右滑轮分别设置在支撑架两端,拉线III一端绕过左滑轮与横轴左夹具相连,另一端与横轴载荷杆缠绕相连,拉线IV一端绕过右滑轮与横轴右夹具相连,另一端与横轴载荷杆缠绕相连,横轴载荷杆与第三砝码盘相连,横轴载荷杆两端与支撑架通过对应的导轨滑动相连。
4.根据权利要求3所述双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,其特征在于,所述上滑轮、左滑轮及右滑轮均通过对应的支撑座设置于支撑架上,且拉线I、拉线II、拉线III及拉线IV互不干扰。
5.根据权利要求4所述双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,其特征在于,还包括标尺支架和标尺滑动杆,标尺支架之间通过标尺滑动杆相连,标尺设置在标尺滑动杆上并与之滑动相连,标尺支架两端分别与纵轴上支撑杆、纵轴下支撑杆相连。
6.根据权利要求5所述双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,其特征在于,还包括第一支撑槽和第二支撑槽,所述第一支撑槽位于支撑架上且高于横轴载荷杆设置,第二支撑槽设于底座中。
7.根据权利要求6所述双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,其特征在于,所述第一支撑槽和第二支撑槽内均设有第一垫片,横轴载荷杆与支撑架之间还设有第二垫片。
8.根据权利要求7所述双轴载荷可调式拉伸蠕变测试装置,其特征在于,所述纵轴上支撑杆与纵轴支撑杆上还设有限位块。
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