CN111855447A - 一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，包括超声换能器、轴向配合连接在超声换能器端部的延长杆以及配合连接在延长杆远离超声换能器端部的可调式应力放大机构；其结构可靠，使用性能好，操作方便，通过超声换能器、延长杆以及可调式应力放大机构之间的相互配合，应力波传递可靠稳定，实现对材料的疲劳性能准确测试，大幅节省超声疲劳试验的材料用量，并且显著提高中间截面最大应力加载值，起到低振动下的高应力加载作用。

Description

一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置
技术领域
本发明涉及材料性能测试技术领域，具体涉及一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置。
背景技术
长寿命和高可靠性是国家重大装备与结构的追求目标，材料超长寿命疲劳性能的测试是确保关键构件安全服役的前提，目前超声振动疲劳加载技术是开展金属材料超长寿命疲劳研究的最高效方法。但目前存在以下问题：超声振动加载应力放大倍数通常小于5，并且恒定不可变，超声振动幅值有限，经放大后最大仅有100微米，进行超声疲劳试验时最高应力只有1000MPa，对于更高强度的材料无法测试。试样的设计要求严格满足轴向一阶20kHz的固有频率要求，并且不同材料样品尺寸不能统一尺寸，导致测试标准无法统一；试样采用沙漏或狗骨型，对于非金属材料来说，弹性模量和密度远低于金属材料，满足固有频率频率的试样长度通常达到十几厘米，造成测试材料的巨大浪费。超声疲劳加载方法对非金属材料加载通常只能达到100-200MPa应力，而碳纤维等材料强度可达3000MPa,无法使用现有技术或方法对非金属材料进行超声疲劳测试；非金属材料普遍对热敏感，较大加载振幅下系统及样品均会严重发热，影响测试系统的稳定性与精确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，以解决现有对材料性能测试装置使用性能低、稳定性及精确性差的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，包括超声换能器、轴向配合连接在超声换能器端部的延长杆以及配合连接在延长杆远离超声换能器端部的可调式应力放大机构；
可调式应力放大机构包括结构一致的第一应力放大单元和第二应力放大单元，试样放置于第一应力放大单元和第二应力放大单元之间，第一应力放大单元远离试样的端部以及第二应力放大单元远离试样的端部分别通过连接件配合连接在所述延长杆上。
进一步，第一应力放大单元和第二应力放大单元均包括用于夹持放置试样的燕尾连接块、位于燕尾连接块内且与试样配合固紧的紧固推头以及可调式配合连接在燕尾连接块外围上的重心调节环，连接件配合连接在燕尾连接块的端部并与紧固推头紧固，试样的中心线与燕尾连接块的轴线位于同一直线上。
进一步，重心调节环包括分别可调式配合连接在燕尾连接块外围上的两个环形砝码，两个环形砝码沿燕尾连接块外围轴向移动。
进一步，燕尾连接块的外壁设置有外螺纹，且外螺纹沿燕尾连接块轴向设置，环形砝码的内壁上设置有与外螺纹相配合的内螺纹。
进一步，环形砝码包括配合连接在燕尾连接块上的内环以及与内环连接为一体式结构的外环，且内环直径小于外环直径，内螺纹设置在内环的内壁面上，相邻环形砝码的外环相贴近。
进一步，环形砝码为多个，且多个环形砝码的材料及质量均不同。
进一步，燕尾连接块内部设置有燕尾槽，紧固推头置于燕尾槽内。
进一步，燕尾连接块的端部设置有用于试样夹持放置的夹持槽，夹持槽与燕尾槽连通，紧固推头配合在燕尾槽内并与试样紧固抵接。
进一步，连接件采用连接螺母，通过连接螺母使得燕尾连接块与延长杆配合连接。
进一步，燕尾连接块外壁设置有刻度线。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其结构可靠，使用性能好，操作方便，通过超声换能器、延长杆以及可调式应力放大机构之间的相互配合，应力波传递可靠稳定，实现对材料的疲劳性能准确测试，大幅节省超声疲劳试验的材料用量，并且显著提高中间截面最大应力加载值，起到低振动下的高应力加载作用，同时通过可调式应力放大机构的重心调节环作用，针对不同材料样品利用不同质量的重心调节环以及调节重心调节环的不同位置，有效的实现重心位置的调整，实现振动频率的可调性，提高装置运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中可调式应力放大机构示意图；
图3为本发明中可调式应力放大机构截面示意图；
图1至图3中所示附图标记分别表示为：1-超声换能器，2-延长杆，3-可调式应力放大机构，30-第一应力放大单元，31-第二应力放大单元，4-试样，301-燕尾连接块，302-紧固推头，303-重心调节环，304-环形砝码，305-内环，306-外环，307-燕尾槽，308-夹持槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至图3所示，一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，包括超声换能器1、轴向配合连接在超声换能器1端部的延长杆2以及配合连接在延长杆2远离超声换能器1端部的可调式应力放大机构3。超声换能器1将电磁能转化为声能，该超声换能器1与延长杆2通过M12螺纹进行连接，满足轴向一级振动频率，延长杆2与可调式应力放大机构3之间通过M6螺纹进行连接。
可调式应力放大机构3包括结构一致的第一应力放大单元30和第二应力放大单元31，试样4放置于第一应力放大单元30和第二应力放大单元31之间，第一应力放大单元30远离试样4的端部以及第二应力放大单元31远离试样4的端部分别通过连接件5配合连接在延长杆2上。试样4放置在第一应力放大单元30和第二应力放大单元31之间，且第一应力放大单元30与第二应力放大单元31之间关于试样4对称。疲劳试验进行时，换能器换超声频率电信号转换为振动位移信号，最大振幅15微米，机械振动经延长杆2传递至应力放大机构，将振动位移进行放大，转换为应力施加在试样4中间截面，实现高应力值的加载方式。
第一应力放大单元30和第二应力放大单元31均包括用于夹持放置试样4的燕尾连接块301、位于燕尾连接块301内且与试样4配合固紧的紧固推头302以及可调式配合连接在燕尾连接块301外围上的重心调节环303，连接件5配合连接在燕尾连接块301的端部并与紧固推头302紧固，试样4的中心线与燕尾连接块301的轴线位于同一直线上。燕尾连接块301内部设置有燕尾槽307，紧固推头302置于燕尾槽307内，其中心与燕尾连接块301轴线对齐，试样4与燕尾连接块301的连接由紧固推头302固定。该紧固推头302与燕尾连接块301通过M3螺纹连接，通过紧固推头302在燕尾槽307内的轴向推进或后退对试样4提供紧固力，保证试样4可靠稳定的放置。重心调节环303用于实现应力放大单元的重心位置的调整。
重心调节环303包括分别可调式配合连接在燕尾连接块301外围上的两个环形砝码304，两个环形砝码304沿燕尾连接块301外围轴向移动。燕尾连接块301的外壁设置有外螺纹，且外螺纹沿燕尾连接块301轴向设置，环形砝码304的内壁上设置有与外螺纹相配合的内螺纹。环形砝码304通过螺纹连接在燕尾连接块301上，环形砝码304由不同材料制成，如镁、铝、钛、钢、铅，同时加工成不同直径，从而实现不同质量的选择需求。在使用时，通过对两个环形砝码304反向旋拧，使得两个砝码相向或相离移动，从而可将环形砝码304固定在燕尾连接块301的不同位置，实现重心位置的调整。环形砝码304的质量和固定位置的确定可以有两种方式，第一是试验试探法，针对不同材料的试验先预计一个固定位置，测试装置振动固有频率，若高于20kHz，则增加砝码质量或将固定位置向试样4远离的方向移动；若低于20kHz，则减小加砝码质量或将固定位置向试样4靠近的方向移动。二是有限元方法，对装置进行模态分析，直接获得一阶固有频率20kHz下的环型砝码质量与位置。
环形砝码304包括配合连接在燕尾连接块301上的内环305以及与内环305连接为一体式结构的外环306，且内环305直径小于外环306直径，内螺纹设置在内环305的内壁面上，相邻环形砝码304的外环306相贴近。
为了提高试样4夹持放置的可靠性，本发明中，燕尾连接块301的端部设置有用于试样4夹持放置的夹持槽308，夹持槽308与燕尾槽307连通，紧固推头302配合在燕尾槽307内并与试样4紧固抵接。
连接件5采用连接螺母，通过连接螺母使得燕尾连接块301与延长杆2配合连接。连接时，连接螺母的端部与紧固推头302固紧，从而保证应力波可靠稳定的传递。
为了便于两个应力单元的重心调整保持对称，本发明中，燕尾连接块301外壁设置有刻度线。通过刻度线便于观察重心调节环303的调节距离，从而可靠实现两端的重心的对称调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，包括超声换能器(1)、轴向配合连接在所述超声换能器(1)端部的延长杆(2)以及配合连接在所述延长杆(2)远离所述超声换能器(1)端部的可调式应力放大机构(3)；
所述可调式应力放大机构(3)包括结构一致的第一应力放大单元(30)和第二应力放大单元(31)，试样(4)放置于所述第一应力放大单元(30)和第二应力放大单元(31)之间，所述第一应力放大单元(30)远离试样(4)的端部以及第二应力放大单元(31)远离试样(4)的端部分别通过连接件(5)配合连接在所述延长杆(2)上。
2.根据权利要求1所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述第一应力放大单元(30)和第二应力放大单元(31)均包括用于夹持放置试样(4)的燕尾连接块(301)、位于所述燕尾连接块(301)内且与试样(4)配合固紧的紧固推头(302)以及可调式配合连接在所述燕尾连接块(301)外围上的重心调节环(303)，所述连接件(5)配合连接在所述燕尾连接块(301)的端部并与所述紧固推头(302)紧固，试样(4)的中心线与所述燕尾连接块(301)的轴线位于同一直线上。
3.根据权利要求2所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述重心调节环(303)包括分别可调式配合连接在所述燕尾连接块(301)外围上的两个环形砝码(304)，两个环形砝码(304)沿所述燕尾连接块(301)外围轴向移动。
4.根据权利要求3所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述燕尾连接块(301)的外壁设置有外螺纹，且所述外螺纹沿所述燕尾连接块(301)轴向设置，所述环形砝码(304)的内壁上设置有与所述外螺纹相配合的内螺纹。
5.根据权利要求4所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述环形砝码(304)包括配合连接在所述燕尾连接块(301)上的内环(305)以及与所述内环(305)连接为一体式结构的外环(306)，且所述内环(305)直径小于所述外环(306)直径，所述内螺纹设置在所述内环(305)的内壁面上，相邻所述环形砝码(304)的外环(306)相贴近。
6.根据权利要求3至5任一项所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述环形砝码(304)为多个，且多个所述环形砝码(304)的材料及质量均不同。
7.根据权利要求6所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述燕尾连接块(301)内部设置有燕尾槽(307)，所述紧固推头(302)置于所述燕尾槽(307)内。
8.根据权利要求6所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述燕尾连接块(301)的端部设置有用于试样(4)夹持放置的夹持槽(308)，所述夹持槽(308)与所述燕尾槽(307)连通，所述紧固推头(302)置于燕尾槽(307)内并与试样(4)紧固抵接。
9.根据权利要求1所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述连接件(5)采用连接螺母，通过连接螺母与所述延长杆(2)配合连接。
10.根据权利要求8所述的统一试样尺寸的超声疲劳应力放大装置，其特征在于，所述燕尾连接块(301)外壁设置有刻度线。
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