CN111595674A - 一种在试样内可加载出多种应力场的装置及加载方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在试样内可加载出多种应力场的装置及加载方法，包括机架以及设置在机架上的电液伺服加载装置、试样夹具、支点座、传动丝杠以及超声探头定位及夹持装置，所述的试样夹具用于夹持住实验样本的第一端，可活动的承托实验样本的第二端；所述的支点座设置有两个，分别为第一支点座和第二支点座，所述的第一支点座和第二支点座沿实验样本的长度方向布置在实验样本的下方；所述的电液伺服加载装置包括第一纵向弯曲加载装置、第二纵向弯曲加载装置、侧向弯曲加载装置和轴向拉压加载装置，所述的第一纵向弯曲加载装置和第二纵向弯曲加载装置分别设置在两根传动丝杠上，本发明结构简单，使用方便。

Description

一种在试样内可加载出多种应力场的装置及加载方法
技术领域
本发明涉及试样应力检测、弹性分析等实验的加载装置的技术领域，具体为一种在试样内可加载出多种应力场的装置及加载方法。
背景技术
目前，承受拉压、弯曲载荷以及拉压和弯曲载荷复合作用的构件在各个领域中都有着广泛的应用。例如建筑工程中的起重机的桁架在工作时受到压载荷和弯曲载荷的作用，将发生桁架的弯曲变形。飞机在飞行过程中机翼受到巨大的空气浮力从而发生弯曲变形。一旦这些材料发生屈曲破坏后果将不堪设想。因此为了了解材料在不同受载状态下的应力分布情况，必须建立多种加载方式来实现在材料内加载出多种不同的应力场。
然而现有的实验加载平台往往只能向试样施加拉载荷、压载荷，加载方式单一，因此无法在材料内加载出拉压、弯曲等多种应力场，无法为材料的应力检测提供更加多样的检测窗口。本发明就是为了解决这一问题。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的不足，解决现在的应力检测装置单一的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种在试样内可加载出多种应力场的装置，包括机架以及设置在机架上的电液伺服加载装置、试样夹具、支点座、传动丝杠以及超声探头定位及夹持装置，其中：
所述的试样夹具用于夹持住实验样本的第一端，可活动的承托实验样本的第二端；
所述的支点座设置有两个，分别为第一支点座和第二支点座，所述的第一支点座和第二支点座沿实验样本的长度方向布置在实验样本的下方；
所述的电液伺服加载装置包括第一纵向弯曲加载装置、第二纵向弯曲加载装置、侧向弯曲加载装置和轴向拉压加载装置，所述的第一纵向弯曲加载装置和第二纵向弯曲加载装置分别设置在两根传动丝杠上，并且位于实验样本的正上方，所述侧向弯曲加载装置设置在实验样本的侧后方，所述的轴向拉压加载装置正对实验样本的第二端；
所述的超声探头定位及夹持装置设置在机架上，并且夹持有超声探头。
进一步的，所述的第一支点座和第二支点座的结构相同，均包括底座和支点，所述的支点为长度方向的棱边为圆角的三棱柱，并且在底面中心固定设置有螺杆，该螺杆螺接在底座顶面的螺孔内，所述的底座的底面设置有滑块，滑块可滑动的安装在机架上开设的滑槽内。
一种在试样内可加载出多种应力场的加载方法，使用在试样内可加载出多种应力场的装置，包括拉伸应力场加载方法和纵向弯曲应力场加载方法，所述的拉伸应力场加载方法通过轴向拉压加载装置拉伸实验样本，所述的纵向弯曲应力场加载方法通过第一纵向弯曲加载装置或/和第二纵向弯曲加载装置对实验样本施加径向应力。
进一步的，所述的纵向弯曲应力场加载方法包括悬臂梁弯曲应力场加载方法、三点弯曲加载方法、四点弯曲加载方法、弯曲和拉伸复合应力场和正交弯曲复合应力加载方法，其中：
所述的悬臂梁弯曲应力场加载方法为向实验样本施加一个径向压力；
所述的三点弯曲加载方法为在实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置一个径向压力；
所述的四点弯曲加载方法包括两种，第一种为在实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置两个径向压力，第二种为实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置一个径向压力和在两个支点外设置一个径向压力；
所述的弯曲和拉伸复合应力加载方法应用在L形的实验样本检测，L形的实验样本的长边设置在试样夹具上，短边垂直向下设置，所述的正交弯曲复合应力加载方法是对该短边施加轴向拉力。
所述的正交弯曲加载方法为通过第一纵向弯曲加载装置或/和第二纵向弯曲加载装置对实验样本施加径向应力，同时通过侧向弯曲加载装置在同一截面位置设置一个径向压力。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明实现了对实验样本的轴向和径向力的加载，并且可以测试样本的多种应力场下的表现，实验效果好。
附图说明
图1为发明的正视图；
图2为发明的立体图；
图3为发明的第一种实验样本的示意图；
图4为发明的第二种实验样本的示意图；
图5为发明的加载部分示意图；
图6为发明的支撑架部分示意图；
图7为本发明的拉伸应力场加载方法时实验样本受力示意图；
图8为本发明的悬臂梁弯曲应力场加载方法时实验样本受力示意图；
图9为本发明的三点弯曲加载方法时实验样本受力示意图；
图10为本发明的四点弯曲加载方法第一种情况时实验样本受力示意图；
图11为本发明的四点弯曲加载方法第二种情况时实验样本受力示意图；
图12为本发明的正交弯曲复合应力加载方法时实验样本受力示意图。
图13为本发明的液压压力伺服加载系统方块图；
其中：
电液伺服加载装置-1、试样夹具-2、支点座-3、传动丝杠-4、超声探头定位及夹持装置-5、实验样本-6、第一支点座-7、第二支点座-8、底座-9、支点-10、机架-11、第一纵向弯曲加载装置-12、第二纵向弯曲加载装置-13、轴向拉压加载装置-14、侧向弯曲加载装置-15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考附图，一种在试样内可加载出多种应力场的装置，包括机架11以及设置在机架11上的电液伺服加载装置1、试样夹具2、支点座3、传动丝杠4以及超声探头定位及夹持装置5，其中：
所述的试样夹具2用于夹持住实验样本6的第一端，可活动的承托实验样本6的第二端。
所述的支点座3设置有两个，分别为第一支点座7和第二支点座8，所述的第一支点座7和第二支点座8沿实验样本6的长度方向布置在实验样本6的下方，所述的第一支点座7和第二支点座8的结构相同，均包括底座9和支点10，所述的支点10为长度方向的棱边为圆角的三棱柱，并且在底面中心固定设置有螺杆，该螺杆螺接在底座9顶面的螺孔内，所述的底座9的底面设置有滑块，滑块可滑动的安装在机架11上开设的滑槽内
所述的电液伺服加载装置1包括第一纵向弯曲加载装置12、第二纵向弯曲加载装置13、侧向弯曲加载装置15和轴向拉压加载装置14，所述的第一纵向弯曲加载装置12和第二纵向弯曲加载装置13分别设置在两根传动丝杠4上，并且位于实验样本6的正上方，所述侧向弯曲加载装置15设置在实验样本的侧后方，所述的轴向拉压加载装置14正对实验样本6的第二端；
所述的超声探头定位及夹持装置5设置在机架11上，并且夹持有超声探头。
一种在试样内可加载出多种应力场的加载方法，使用在试样内可加载出多种应力场的装置，包括拉伸应力场加载方法和纵向弯曲应力场加载方法，所述的拉伸应力场加载方法通过轴向拉压加载装置拉伸实验样本，所述的纵向弯曲应力场加载方法通过第一纵向弯曲加载装置或/和第二纵向弯曲加载装置对实验样本施加径向应力。
进一步的，所述的纵向弯曲应力场加载方法包括悬臂梁弯曲应力场加载方法、三点弯曲加载方法、四点弯曲加载方法和正交弯曲复合应力加载方法，其中：
所述的悬臂梁弯曲应力场加载方法为向实验样本施加一个径向压力；
所述的三点弯曲加载方法为在实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置一个径向压力；
所述的四点弯曲加载方法包括两种，第一种为在实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置两个径向压力，第二种为实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置一个径向压力和在两个支点外设置一个径向压力；
所述的弯曲和拉伸复合应力加载方法应用在L形的实验样本检测，L形的实验样本的长边设置在试样夹具上，短边垂直向下设置，所述的正交弯曲复合应力加载方法是对该短边施加轴向拉力。
所述的正交弯曲加载方法为通过第一纵向弯曲加载装置或/和第二纵向弯曲加载装置对实验样本施加径向应力，同时通过侧向弯曲加载装置在同一截面位置设置一个径向压力。
拉伸应力场加载方法用于检验直杆状的实验样本6，对该实验样板6施加轴向拉力。
在此介绍拉伸应力场加载方法和纵向弯曲应力场加载方法下的应力的计算方法。
拉伸应力场加载方法下，将试样1夹持在夹具7上；加载力设置：F1＝F2＝F3＝0,F4＝σbh；检测位置：试样上表面任意区域，加载结果为在试样内形成大小为σ的均匀拉伸应力场。
悬臂梁弯曲应力场加载方法下，将试样1夹持在夹具7上；加载位置设置：以夹具7右横截面为基准面(下同)x1的值可根据试样的尺寸任意设置。加载力设置：
Figure BDA0002504463320000061
F2＝F4＝F3＝0；检测位置：探头中心距基准面x mm。加载结果：在试样内形成弯曲应力场，在距基准面x mm，且距中性层y mm位置处产生的弯曲正应力大小为σ。
四点弯曲加载方法的第一种情况下，将试样1放在支撑架5和支撑架6上，且试样左横截面与基准面重合；加载及支承位置设置：x6可根据试样尺寸合理的任意设置，但不宜太大，一般不超过10mm；x5＞x6，可根据试样尺寸自由合理设置；x6＜x1＜x5，x1＜x2＜x5；加载力设置：F3＝F4＝0，F1可合理自由进行设置；当检测位置在6和1之间时：
Figure BDA0002504463320000071
当检测位置在2和1之间时：
Figure BDA0002504463320000072
当检测位置在5和2之间时：
Figure BDA0002504463320000073
在第二种情况下，将试样1放在支撑架5和支撑架6上，且试样左横截面与基准面重合；加载及支承位置设置：x6可根据试样尺寸合理的任意设置，但不宜太大，一般不超过10mm；x5＞x6，可根据试样尺寸任意合理设置；x6＜x1＜x5；x2＞x5，但x2不能超过试样尺寸；加载力设置：F3＝F4＝0，F1可合理进行设置；当检测位置在6和1之间时：
Figure BDA0002504463320000074
当检测位置在1和5之间时：
Figure BDA0002504463320000075
当检测位置在5和2之间时：
Figure BDA0002504463320000076
加载结果：在检测区域内距基准面x mm、中性层ymm处的截面弯曲正应力大小为σ。
正交弯曲复合应力加载方法,将试样1夹持在夹具7上；加载及支承位置设置:不设置支承；x1＝x3，且大小可根据试样尺寸合理的自由设置。其它不定义；加载力设置：F1可合理的自由设置，F2＝F4＝0,
Figure BDA0002504463320000077
检测位置：探头中心距基准面x mm(x＜x1)。加载结果：在检测区域内距基准面x mm截面上坐标为(y,z)的点处的弯曲正应力大小为σ。
正交弯曲加载方法下将试样1夹持在夹具7上；加载及支承位置设置:不设置支承；x1＝x3，且大小可根据试样尺寸合理的自由设置。其它不定义；加载力设置：F1可合理的自由设置，F2＝F4＝0,
Figure BDA0002504463320000081
检测位置：探头中心距基准面x mm(x＜x1)，加载结果，在检测区域内距基准面x mm截面上坐标为(y,z)的点处的弯曲正应力大小为σ。
弯曲与拉伸复合应力场加载方法下，用夹具7夹持试样2的A端，加载装置3对试样BC段进行拉伸加载；加载及支承位置设置:不设置支承；y4可根据试样尺寸合理任意设置；加载力设置：F1＝F2＝F3＝0,
Figure BDA0002504463320000082
y4为加载点4距AB段中性层的距离。检测位置：试样AB段任意位置，加载结果，在检测区域内任意横截面内，距截面中性层y mm处的弯曲正应力大小为σ
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种在试样内可加载出多种应力场的装置，其特征在于：包括机架以及设置在机架上的电液伺服加载装置、试样夹具、支点座、传动丝杠以及超声探头定位及夹持装置，其中：
所述的试样夹具用于夹持住实验样本的第一端，可活动的承托实验样本的第二端；
所述的支点座设置有两个，分别为第一支点座和第二支点座，所述的第一支点座和第二支点座沿实验样本的长度方向布置在实验样本的下方；
所述的电液伺服加载装置包括第一纵向弯曲加载装置、第二纵向弯曲加载装置、侧向弯曲加载装置和轴向拉压加载装置，所述的第一纵向弯曲加载装置和第二纵向弯曲加载装置分别设置在两根传动丝杠上，并且位于实验样本的正上方，所述侧向弯曲加载装置设置在实验样本的侧后方，所述的轴向拉压加载装置正对实验样本的第二端；
所述的超声探头定位及夹持装置设置在机架上，并且夹持有超声探头。
2.根据权利要求1所述的一种在试样内可加载出多种应力场的装置，其特征在于：所述的第一支点座和第二支点座的结构相同，均包括底座和支点，所述的支点为长度方向的棱边为圆角的三棱柱，并且在底面中心固定设置有螺杆，该螺杆螺接在底座顶面的螺孔内，所述的底座的底面设置有滑块，滑块可滑动的安装在机架上开设的滑槽内。
3.一种在试样内可加载出多种应力场的加载方法，使用如权利要求1-2任一所述的装置，其特征在于：包括拉伸应力场加载方法和纵向弯曲应力场加载方法，所述的拉伸应力场加载方法通过轴向拉压加载装置拉伸实验样本，所述的纵向弯曲应力场加载方法通过第一纵向弯曲加载装置或/和第二纵向弯曲加载装置对实验样本施加径向应力。
4.根据权利要求3所述的一种在试样内可加载出多种应力场的加载方法，其特征在于：所述的纵向弯曲应力场加载方法包括悬臂梁弯曲应力场加载方法、三点弯曲加载方法、四点弯曲加载方法、弯曲与拉伸复合应力场和正交弯曲复合应力加载方法，其中：
所述的悬臂梁弯曲应力场加载方法为向实验样本施加一个径向压力；
所述的三点弯曲加载方法为在实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置一个径向压力；
所述的四点弯曲加载方法包括两种，第一种为在实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置两个径向压力，第二种为实验样本底部设置两个支点以及在两个支点之间设置一个径向压力和在两个支点外设置一个径向压力；
所述的弯曲与拉伸复合应力场加载方法应用在L形的实验样本检测，L形的实验样本的长边设置在试样夹具上，短边垂直向下设置，所述的正交弯曲复合应力加载方法是对该短边施加轴向拉力。
所述的正交弯曲加载方法为通过第一纵向弯曲加载装置或/和第二纵向弯曲加载装置对实验样本施加径向应力，同时通过侧向弯曲加载装置在同一截面位置设置一个径向压力。
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