CN111060397B - 一种四轴双向加载装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型四轴双向加载装置及其试验方法，属于实验力学领域，该装置主要由载荷分配杆、支撑杆、蝶形弹簧、铰接接头、限位销钉、上下承力座等构件组成，本发明通过利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数为力值和机械传动的特点，对试验件进行双轴向动静态试验，也可进行材料双轴向的力学性能试验及疲劳试验，实现了位移同步控制，通过更换不同K值的弹簧来实现比例加载与非比例加载；本发明的结构简单，制造成本低廉，可在普通单轴向试验机上进行四轴双向加载，科学可靠的应用于各向异性材料和薄板材料的双轴向动静态试验一种新型试验加载装置。

Description

一种四轴双向加载装置及其试验方法
技术领域
本发明属于实验力学领域，具体是一种新型四轴双向加载装置及其试验方法。
背景技术
在航空、航海、交通、道桥、建筑、港口工程结构中，各种材料所构成的结构件均为复杂的受力构件，它们都长期处于各种复杂受力状态下，因而这些构件在各种复杂受力状态的结构强度是结构力学中的重要研究课题。特别是在现代工程结构设计中，必须研究结构在复杂载荷的强度问题，在这些复杂载荷的强度问题中各向异性材料和薄板材料的二向应力状态的研究尤为重要，而重现二向应力状态最为难于的实现，双向动静态试验可以得到在复杂应力状态下准确的材料性能参数，来考核工程结构的机械强度，为结构设计提供科学依据，为下一步的理论建立做准备。
目前采用的试验方法是在双轴四缸伺服动静试验机上进行试验，其试验机价格高昂、维护成本高、能耗高、试验成本高。长期以来，对于这一类结构试验实现低成本化是十分困难的。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的困难，公开了一种新型四轴双向加载装置，该装置结构简单，制造成本低廉，可在普通试验机上进行四轴双向加载，科学可靠的应用于各向异性材料和薄板材料的双轴向动静态试验的新型试验加载装置。
本发明是这样实现的：
一种新型四轴双向加载装置，包括上下连接的上承力座以及下承力座；所述的上承力座上设置有上夹持杆，所述的下承力座设置有下夹持杆上，所述的上承力座、下承力座之间设置有四组载荷加载部件，所述的四组载荷加载部件以夹持杆为轴呈十字对称分布；所述的加载部件分为载荷分配杆以及支撑杆的上下两部分；所述的载荷分配杆至上而下连接依次为上载荷分配杆、下载荷分配杆；所述的上载荷分配杆、下载荷分配杆之间设置有弹簧、调节锁紧螺母、下载荷分配杆；所述的上载荷分配杆头部安装在上夹持杆的双插耳中，所述的支撑杆尾部安装在下夹持杆的双插耳中；所述的支撑杆头部与下载荷分配杆的尾部通过铰接接头连接。本发明的装置采用采用载荷分配杆、支撑杆、蝶形弹簧、铰接接头、限位销钉、上下承力座的结构形式，利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数为力值的特点，进行载荷的分配，实现对试验件进行双向动静态试验。
进一步，所述的载荷分配杆上粘贴有电阻式应变片，用于测量应变值。
进一步，所述的下载荷分配杆上设置有限位销。
进一步，所述的弹簧为可更换的蝶形弹簧，所述的弹簧根据实际需要更换不同k系数的蝶形弹簧。
本发明还公开了一种新型四轴双向加载装置的试验方法，其特征在于，所述的方法为：
步骤一、安装加载装置：先将上承力座安装夹持在试验机上夹头，将四个上载荷分配杆安装在上承力座的四个双插耳中；四个铰接接头分别安装在下载荷分配杆尾部的单插耳上，分别连四个支撑杆，再将四个支撑杆安装在下承力座上；将试验件连接在四个铰接接头上，完成试验装置和试验件安装；
步骤二、根据试验要求，调整弹簧的压缩量，即载荷分配杆的刚度，实现四轴双向载荷的加载，完成试验的安装调试，即可开始试验。利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数等于力值的特点，采用通过更换不同K值的弹簧来实现比例加载与非比例加载。实现各向异性材料和薄板材料的双轴向动静态试验。
通过利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数为力值和机械传动的特点：
F＝L×k
F为加载力值，L为试验机移动的位移值，k为弹簧弹性系数，在试验机移动的位移值相同时，改变更换不同弹性系数的弹簧，即可实现不同载荷的施加，同时通过对弹簧的压缩量微调，即可实现精确的载荷施加。
进一步，对与1：1比例的双向载荷试验方法为：
根据F＝L×k计算公式，选择试验的位移值L，选择相应的k系数的弹簧，将选择好相应的k系数的四个弹簧分别安装在四个载荷分配杆上，手拧上调节锁紧螺母，进行试验，通过测量载荷分配杆上粘贴电阻式应变片测量的应变值，微调至四个载荷分配杆上应变值相同，完成试验装置调试安装，开始试验。
进一步，对于其他非1：1比例的双向载荷试验步骤如下：
根据F＝L×k计算公式，选择试验的位移值L，分别选择两对相应的k系数的弹簧，将选择好相应的k系数的两对弹簧分别两两对应的安装在四个载荷分配杆上，手拧上调节锁紧螺母，进行试验，通过测量两对载荷分配杆的应变值并微调至两对载荷分配杆应变值相同，即每对的载荷分配杆的应变值相同，完成试验装置调试安装，开始试验。能够在普通的试验机上很好的对试验件进行双轴向静态试验，也能够在普通的疲劳试验机上很好的对试验件进行双轴向静态和疲劳试验。即可以在一般的试验机上完成材料双轴向的力学性能试验及疲劳试验，实现了位移、载荷的同步施加。
本发明与现有技术的有益效果在于：
1)本发明为一种结构简单，制造成本低廉，可在普通试验机上进行四轴双向加载，科学可靠的应用于各向异性材料和薄板材料的双轴向动静态试验的新型试验加载装置，通过利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数为力值和机械传动的特点，对试验件进行双轴向动静态试验，也可进行材料双轴向的力学性能试验及疲劳试验，实现了位移同步控制，通过更换不同K值的弹簧来实现比例加载与非比例拉伸、压缩加载试验；
2)通过利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数为力值和机械传动的特点，对试验件进行双轴向动静态试验，也可进行材料双轴向的力学性能试验及疲劳试验，实现了位移同步控制，通过更换不同K值的弹簧来实现比例加载与非比例加载；
3)本发明采用机械装置进行试验，试验装置结构简单，能耗小，大大降低了试验成本的同时也保证了试验精度的要求，很好的实现了各向异性材料和薄板材料的双轴向动静态试验；
4)本发明方法科学、原理清晰、方法简单、试验成本低、技术效果好。可广泛的应用于航空航天、交通等工程的结构与各向异性新材料的双轴向力学性能的研究。
附图说明
图1为本发明一种新型四轴双向加载装置的主视图；
图2为本发明一种新型四轴双向加载装置中载荷分配杆示意图；
图3为本发明一种新型四轴双向加载装置的俯视图；
图4本发明一种新型四轴双向加载装置中铰接接头示意图；
图5本发明一种新型四轴双向加载装置中支撑杆示意图；
图6本发明一种新型四轴双向加载装置中上承力座示意图；
其中，1-上夹持杆，2-上承力座，3-上载荷分配杆，4-弹簧，5-调节锁紧螺母，6-下载荷分配杆，7-限位销，8-铰接接头，9-支撑杆，10-下承力座，11-下夹持杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～图6所示，本发明的装置包括上下连接的上承力座2以及下承力座 10；所述的上承力座2设置有上夹持杆1，所述的下承力座10设置有下夹持杆 11，所述的上承力座2、下承力座10之间设置有四组载荷加载部件，所述的四组载荷加载部件以夹持杆为轴呈十字对称分布；所述的加载部件分为载荷分配杆以及支撑杆9的上下两部分；所述的载荷分配杆至上而下连接依次为上载荷分配杆3、下载荷分配杆6；所述的上载荷分配杆3、下载荷分配杆6之间设置有弹簧4、调节锁紧螺母5；所述的上载荷分配杆3头部安装在上承力座2的双插耳中，所述的支撑杆9尾部安装在下承力座10的双插耳中；所述的支撑杆9头部与下载荷分配杆6的尾部通过铰接接头8连接。载荷分配杆上粘贴有电阻式应变片。
本发明的装置可在普通试验机上进行四轴双向加载，可以科学可靠的应用于各向异性材料和薄板材料的双轴向动静态试验的新型试验加载装置，通过利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数为力值和机械传动的特点：F＝L×k，F为加载力值， L为试验机移动的位移值，k为弹簧弹性系数。在位移值相同时，只需改变更换不同弹性系数的弹簧，即可实现不同载荷的施加，同时由于试验机的对中误差引起的各个杆的位移误差，通过对弹簧的压缩量微调，即可实现精确的载荷施加。
通过更换不同k值的弹簧来实现比例加载与非比例加载。试验时，先将上承力座2安装夹持在试验机上夹头，将四个上载荷分配杆3安装在上承力座2的四个双插耳中；四个铰接接头8分别安装在下载荷分配杆6尾部的单插耳上，分别连四个支撑杆9，再将四个支撑杆9安装在下承力座10上；将试验件连接在四个铰接接头8上，完成试验装置和试验件安装。
根据试验要求，调整弹簧的压缩量，即载荷分配杆的刚度，实现四轴双向载荷的加载，完成试验的安装调试，即可开始试验。
对与1：1的双向载荷试验步骤如下：根据F＝L×k计算公式，选择试验的位移值L，选择相应的k系数的弹簧，将选择好相应的k系数的四个弹簧分别安装在四个载荷分配杆上，手拧上锁紧调整螺母，按照上述的安装过程将试验装置和试验件安装完成，进行试验，通过测量四个载荷分配杆的应变值(在载荷分配杆上粘贴电阻式应变片，测量应变)微调至四个载荷分配杆应变值(即力值)相同，完成试验装置调试安装，开始试验。
对于其他比例的双向载荷试验步骤如下：
根据F＝L×k计算公式，选择试验的位移值L，分别选择两对相应的k系数的弹簧，将选择好相应的k系数的两对弹簧分别两两对应的安装在四个载荷分配杆上，手拧上锁紧调整螺母，按照上述的安装过程将试验装置和试验件安装完成，进行试验，通过测量两对载荷分配杆的应变值并微调至两对载荷分配杆应变值 (即力值)相同，完成试验装置调试安装，开始试验。
本发明采用机械装置进行试验，试验装置结构简单，能耗小，大大降低了试验成本的同时也保证了试验精度的要求，很好的实现了各向异性材料和薄板材料的双轴向动静态试验。双向动静态试验可以得到在复杂应力状态下准确的材料性能参数，目前采用的试验方法是在双轴四缸伺服动静试验机上进行试验，其试验机价格高昂、维护成本高、能耗高、试验成本高。本发明方法科学、原理清晰、方法简单、试验成本低、技术效果好。可广泛的应用于航空航天、交通等工程的结构与各向异性新材料的双轴向力学性能的研究。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种四轴双向加载装置，其特征在于，所述的装置包括上下连接的上承力座(2)以及下承力座(10)；所述的上承力座(2)上设置有上夹持杆(1)，所述的下承力座(10)上设置有下夹持杆(11)，所述的上承力座(2)、下承力座(10)之间设置有四组载荷加载部件，所述的四组载荷加载部件以夹持杆为轴呈十字对称分布；所述的加载部件分为载荷分配杆以及支撑杆(9)的上下两部分；所述的载荷分配杆至上而下连接依次为上载荷分配杆(3)、下载荷分配杆(6)；所述的上载荷分配杆(3)、下载荷分配杆(6)之间设置有弹簧(4)、调节锁紧螺母(5)；所述的上载荷分配杆(3)头部安装在上承力座(2)的双插耳中，所述的支撑杆(9)尾部安装在下承力座(10)的双插耳中；所述的支撑杆(9)头部与下载荷分配杆(6)的尾部通过铰接接头(8)连接；
所述的四轴双向加载装置的试验方法为：
步骤一、安装加载装置：先将上承力座(2)安装夹持在试验机上夹头，将四个上载荷分配杆(3)安装在上承力座(2)的四个双插耳中；四个铰接接头(8)分别安装在下载荷分配杆(6)尾部的单插耳上，分别连四个支撑杆(9)，再将四个支撑杆(9)安装在下承力座(10)；将试验件连接在四个铰接接头(8)上，完成试验装置和试验件安装；
步骤二、根据试验要求，调整弹簧的压缩量，即载荷分配杆的刚度，实现四轴双向载荷的加载，完成试验的安装调试，即可开始试验；通过利用弹簧的压缩量乘以不同弹性系数为力值和机械传动的特点：
F＝L×k
F为加载力值，L为试验机移动的位移值，k为弹簧弹性系数，在试验机移动的位移值相同时，改变更换不同弹性系数的弹簧，即可实现不同载荷的施加，同时通过对弹簧的压缩量微调，即可实现精确的载荷施加；
对于其他非1：1比例的双向载荷试验步骤如下：
根据F＝L×k计算公式，其中F为加载力值，L为试验机移动的位移值，k为弹簧弹性系数；选择试验的位移值L，分别选择两对相应的k系数的弹簧，将选择好相应的k系数的两对弹簧分别两两对应的安装在四个载荷分配杆上，手拧上调节锁紧螺母(5)，进行试验，通过测量两对载荷分配杆的应变值并微调至每对载荷分配杆应变值相同，完成试验装置调试安装，开始试验。
2.根据权利要求1所述的一种四轴双向加载装置，其特征在于，所述的载荷分配杆上粘贴有电阻式应变片。
3.根据权利要求1所述的一种四轴双向加载装置，其特征在于，所述的下载荷分配杆(6)上设置有限位销(7)。
4.根据权利要求1所述的一种四轴双向加载装置，其特征在于，所述的弹簧(4)为可更换的蝶形弹簧，所述的弹簧(4)根据实际需要更换不同k系数的蝶形弹簧。
5.根据权利要求1所述的一种四轴双向加载装置，其特征在于，对与1：1比例的双向载荷试验方法为：
根据F＝L×k计算公式，选择试验的位移值L，选择相应的k系数的弹簧，将选择好相应的k系数的四个弹簧分别安装在四个载荷分配杆上，手拧上调节锁紧螺母(5)，进行试验，通过测量载荷分配杆上粘贴电阻式应变片测量的应变值，微调至四个载荷分配杆上应变值相同，完成试验装置调试安装，开始试验。
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