CN111189717A - 一种超低温环境下材料与结构双轴加载力学性能试验系统 - Google Patents

一种超低温环境下材料与结构双轴加载力学性能试验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低温环境下材料与结构双轴加载力学性能试验系统，属于力学性能试验领域，包括主机系统、超低温环境箱、控制系统和数据分析软件；主机系统包括主机框架，其中心侧设置有超低温环境箱；主机框架设置有伺服电动缸，其包括伺服电机和旋转转直线运动机构；旋转转直线运动机构一端与伺服电机固定连接，另一端设置有夹具；旋转转直线运动机构与夹具之间设置有力传感器；控制系统信号连接伺服电动缸和力传感器；控制系统将采集数据传输到数据分析软件；数据分析软件分析并给出测试结果。本发明可以得到在超低温度下材料与结构精准的刚度和强度特性参数、材料与结构真实破坏机理以及温度与材料及结构力学性能变化曲线等相关技术参数。

Description

一种超低温环境下材料与结构双轴加载力学性能试验系统
技术领域
本发明涉及力学性能试验领域，具体涉及一种超低温环境下材料与结构双轴加载力学性能试验系统。
背景技术
由于空间技术的发展、太空武器的研发已经成为维护国家安全的“制高点”，各个发达国家都把更多的资源投向先进飞行器的研制。对先进材料与结构在超低温(-196°)下复杂应力状态下的性能研究非常重要。材料与结构的强度不仅取决于材料自身的性质，还与材料与结构所处的荷载条件和环境因素密切有关。
现有技术中不仅在超低温环境下对材料与结构的刚度特性不能做到相当精确的计算与设计，而且对超低温下的材料与结构强度测试仍难以做到准确的控制，虽有一些预测强度的破坏准则，但仅是一种判据，只能对材料与结构的破坏或失效做现象学的描述，难以真实反映出其在超低温下的破坏机理。
因此，急需一种能够在超低温度下获得材料与结构精准刚度和强度特性、且能反映出真实材料与结构破坏机理的力学性能参数试验系统。
发明内容
本发明目的在于提供在超低温度下获得材料与结构精准刚度和强度特性、且能反映出真实材料与结构破坏机理的力学性能参数试验系统，发明的内容如下：
一种超低温环境下材料与结构双轴加载力学性能试验系统，包括主机系统、超低温环境箱、控制系统和数据分析软件；所述主机系统包括主机框架，所述主机框架中心侧设置有超低温环境箱；所述主机框架设置有伺服电动缸；所述伺服电动缸包括伺服电机和旋转转直线运动机构；所述旋转转直线运动机构一端与伺服电机固定连接，设置于超低温环境箱外侧，另一端设置有夹具，设置于超低温环境箱内；所述夹具用于装夹试样；所述旋转转直线运动机构与所述夹具之间设置有力传感器，用于监测试样实时受力情况；所述控制系统信号连接所述伺服电动缸和所述力传感器，用于控制伺服电动缸和采集所述试验承受的实时力学数据；所述控制系统将采集力学数据传输到所述数据分析软件；所述数据分析软件用于采集数据的分析并给出测试结果。
进一步地，所述旋转转直线运动机构为丝杠螺母传动副，所述丝杠螺母传动副中丝杠与所述伺服电机固定连接，所述螺母设置有法兰，所述法兰与所述夹具固定连接。
进一步地，所述主机框架中心侧设置有限位防护机构，所述限位防护机构为框架结构；所述限位防护机构远离主机框架侧套设在所述丝杠上，所述螺母设置于限位防护机构内。
进一步地，还包括静态应变仪，所述试样设置有应变片，所述应变片与所述静态应变仪信号连接，所述应变片将监测数据发送至所述静态应变仪，所述静态应变仪对所述应变片监测数据进行分析，并将分析结果发送至所述数据分析软件。
进一步地，所述主机框架周向等间距分布设置有4个伺服电动缸。
进一步地，所述主机框架设置有吊装机构。
进一步地，所述夹具为拉伸夹具、压缩夹具或三点弯夹具中的一种。
进一步地，所述主机框架远离中心侧设置有供使用者攀登的梯子。
进一步地，超低温环境箱的超低温度设定值为-196℃。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，使用方便，可以得到在超低温度环境下材料与结构精准的刚度和强度特性参数、材料与结构真实的破坏机理以及温度与材料力学性能变化曲线、垂向和横向的应力-应变关系曲线等相关技术参数，能够为超低温环境下的材料与结构性能研究提供重要的数据支持。
此外，通过特殊的夹具设置，在同一设备下即满足超低温环境下材料与结构的抗拉和抗压等力学性能测试要求，得到准确的力学性能相关参数。
附图说明
图1为试验系统整体示意图
图2为主机系统整体示意图；
图3为主机框架示意图；
图4为拉伸夹具示意图；
图5为拉伸夹具剖视图；
图6为超低温环境箱示意图；
图7为压缩夹具示意图；
图8为三点弯夹具示意图
图9为三点弯夹具使用示意图
图10为浸泡在液氮中的十字型拉伸试件
图11为图9试件在超低温环境下下的双轴加载测试系统中
图12为低碳钢十字型拉伸试件在超低温下双轴加载后的失效破坏图
图13为垂向应力-应变曲线
图14为横向应力-应变曲线
其中，1-伺服电动缸，2-主机框架，201-通孔，3-力传感器，4-夹具，401-拉伸夹具，4011-连接轴，4012-锁紧环，4013-旋柄，4014-夹具体，4015-夹块，4016-定位标尺，402-压缩夹具，4021-压头，4022-关节轴承，4023-拉伸弹簧，4024-夹头，403-三点弯夹具，4031-左连杆，4032-左支座，4033-滑座，4034-滚子，4035-试样支座，4036右连杆，4037-右支座，5-试样，6-超低温环境箱，601-搅拌风机，602-液氮电磁阀，603-气封观测窗，604-温度传感器，7-限位防护机构，8-吊装机构，9-梯子。
具体实施方式
实施例1
本实施例公开了超低温下材料双轴加载力学性能试验系统，包括主机系统、控制系统，数据分析软件和超低温环境箱6；
参见图2，主机系统包括伺服电动缸1、主机框架2、力传感器3和夹具4。主机框架2的中心侧设置有超低温环境箱6。主机框架2上端设置有吊装机构8，主机框架2的远离中心侧设置有供使用者攀登的梯子9，主机框架2的侧壁上周向等间距分布设置有供四个伺服电动缸1穿过的通孔201，超低温环境箱6沿主机框架2的侧壁周向均匀设置有与四个伺服电动缸1对应的四个通孔。伺服电动缸1内设置有伺服电机和丝杠螺母传动副，伺服电机的旋转运动通过丝杠螺母传动副转换成直线运动。
丝杠螺母传动副穿过通孔201和超低温环境箱6上的通孔，伸入超低温环境箱6的内部，丝杠螺母传动副的螺母上设置有法兰，夹具4通过该法兰与丝杠-螺母传动副的螺母连接。
试样5通过夹具4固定，丝杠螺母传动副与夹具4的之间的连接处设置有力传感器3，试样5上设置有应变片。
主机框架2的内壁上连接有四个限位防护机构7，限位防护机构7为框架结构。限位防护机构7远离主机框架2一端套设在对应的丝杠螺母传动副的丝杠上，丝杠螺母传动副的螺母位于限位防护机构9内部。
夹具4为拉伸夹具401、压缩夹具402或三点弯夹具403。
四个伺服电动缸1对应的丝杠螺母传动副的输出端分别记为A端、B端、C端和D端。
当需要对试样5进行双轴拉伸时，夹具4采用拉伸夹具401，A端、B端、C端和D端均连接有拉伸夹具401。拉伸夹具401包括连接轴4011、锁紧环4012、旋柄4013、夹具体4014、夹块4015和定位标尺4016。
当需要对试样5进行双轴压缩时，夹具4采用压缩夹具402，A端、B端、C端和D端均连接有压缩夹具402。压缩夹具402包括压头4021、关节轴承4022、拉伸弹簧4023和夹头4024。
当需要对试样5进行单轴弯曲时，夹具4采用三点弯夹具403，A端和C端均连接有压缩夹具402，A端和C端相对。三点弯夹具403包括左连杆4031、左支座4032、滑座4033、滚子4034、试样支座4035、右连杆4036和右支座4037。
主机框架2的正上方设置有吊装机构8，在超低温环境下对试样5进行力学性能试验时，使用吊装机构8将超低温环境箱6放入主机框架2中心位置。使用超低温环境箱6箱盖上设置有搅拌风机601、液氮电磁阀602、气封观测窗603、温度传感器604。低温环境箱6设置有独立控制系统，通过独立控制系统设定超低温环境箱6的温度，当温度传感器604监测箱内温度达到设定值时，停止超低温环境箱6停止工作。超低温环境箱6的最低设定温度为-196℃。
控制系统用于控制私服电机和力传感器3的数据采集。
控制系统控制伺服电机启动，伺服电机通过丝杠螺母传动副带动夹具4作直线运动，从而对处在低温环境箱6内的试样5施力。该过程中，力传感器3将数据发送至控制系统，用于控制系统对伺服电动缸1施力的调节。
应变片将数据发送至静态应变仪进行分析，并将分析结果发送至计算机数据分析软件。力传感器3将数据发送给计算机数据分析软件系统，计算机数据分析软件分析出实验结果，本实施例中使用的数据分析软件为MATLAB和Excel。
实施例2
本实施例为中碳钢十字拉伸试件的超低温双轴加载试验测试示例。
试件材质：45#钢，测试温度-196°，加载速度：3mm/min。
测试试件及设备：如图9和图10所示。
测试结果：
图11为中碳钢十字型拉伸试件在超低温下双轴加载后的失效破坏图。
由图11可知，中碳钢十字型拉伸试件在超低温下双轴加载后的失效破坏为沿着试件中心区域对角线方向的断裂。
垂向应力-应变曲线见图13和横向应力-应变曲线见图14所示。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围的。

Claims (9)

1.一种超低温环境下材料双轴加载力学性能试验系统，其特征在于，包括主机系统、超低温环境箱(6)、控制系统和数据分析软件；所述主机系统包括主机框架(2)，所述主机框架(2)中心侧设置有超低温环境箱(6)；所述主机框架(2)设置有伺服电动缸(1)；所述伺服电动缸(1)包括伺服电机和旋转转直线运动机构；所述旋转转直线运动机构一端与伺服电机固定连接，设置于超低温环境箱(6)外侧，另一端设置有夹具，设置于超低温环境箱(6)内；所述夹具(4)用于装夹试样(5)；所述旋转转直线运动机构与所述夹具(4)之间设置有力传感器(3)，用于监测试样(5)实时受力情况；所述控制系统信号连接所述伺服电动缸和所述力传感器(3)，用于控制伺服电动缸(1)和采集所述试验(5)承受的实时力学数据；所述控制系统将采集力学数据传输到所述数据分析软件；所述数据分析软件对采集数据的分析并给出测试结果。
2.根据权利要求1所述的力学性能试验系统，其特征在于，所述旋转转直线运动机构为丝杠螺母传动副，所述丝杠螺母传动副中丝杠与所述伺服电机固定连接，所述螺母设置有法兰，所述法兰与所述夹具固定连接。
3.根据权利要求2所述的力学性能试验系统，其特征在于，所述主机框架(2)中心侧设置有限位防护机构(7)，所述限位防护机构(7)为框架结构；所述限位防护机构(7)远离主机框架(2)侧套设在所述丝杠上，所述螺母设置于限位防护机构(7)内。
4.根据权利要求1所述的力学性能试验系统，其特征在于，还包括静态应变仪，所述试样(5)设置有应变片，所述应变片与所述静态应变仪信号连接，所述应变片将监测数据发送至所述静态应变仪，所述静态应变仪对所述应变片监测数据进行分析，并将分析结果发送至所述数据分析软件。
5.根据权利要求1所述的力学性能试验系统，其特征在于，所述主机框架(2)周向等间距分布设置有4个伺服电动缸(1)。
6.根据权利要求1所述的力学性能试验系统，其特征在于，所述主机框架(2)设置有吊装机构(8)。
7.根据权利要求1所述的力学性能试验系统，其特征在于，所述夹具(4)为拉伸夹具(401)、压缩夹具(402)或三点弯夹具(403)中的一种。
8.根据权利要求1所述的力学性能试验系统，其特征在于，所述主机框架(2)远离中心侧设置有供使用者攀登的梯子(9)。
9.根据权利要求1所述的力学性能试验系统，其特征在于，超低温环境箱(6)的超低温度设定值为-196℃。
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