CN111965243A - 实验用磁场加载动态控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验用磁场加载动态控制装置，包括基座；动力模块，设置在基座上，动力模块包括驱动部；旋转台，包括旋转底座、支撑平台以及样品夹持平台，旋转底座固定设置在驱动部上，驱动部驱动旋转台绕第一方向轴转动，支撑平台转动设置在旋转底座上，支撑平台绕第二方向轴转动，样品夹持平台滑动设置在支撑平台上，第一方向轴和第二方向轴相互垂直，样品夹持平台的滑动方向垂直于第二方向轴，样品夹持平台用于放置待测试样品；控制系统，与动力模块连接，用于控制旋转台；以及图像采集系统，固定设置在旋转底座上，用于采集待测试样品的实时数据。该装置利用动态旋转控制和实时观测来研究磁致变形材料的材料性能、形貌特征、微观结构等。

Description

实验用磁场加载动态控制装置

技术领域

本发明涉及磁致变形材料动态磁场加载实验领域，特别涉及一种实验用磁场加载动态控制装置。

背景技术

以磁性形状记忆合金、磁流变弹性体、磁性水凝胶等为代表的磁致变形材料具有其独特的材料性能，在航空航天、生物医学、机器人制造等高新技术领域受到越来越广泛的关注。例如，磁性形状记忆合金兼具可恢复磁致变形和热弹性形状记忆效应，已被视为制造新一代功能器件(驱动器、传感器等)的理想材料；磁流变弹性体相对于磁流变液具有的可控性、可逆性、快速响应、稳定性、轻质等特点，可广泛用于变刚度控制器、阻尼器等；磁性水凝胶材料具有良好的生物相容性、可降解等特点，可作为药物传递装置、核磁共振造影剂、热疗剂等的优选材料。

磁致变形材料的共同特点就是磁场敏感性，即在磁场作用下自身的材料性能、形貌特征、微观结构等会产生改变，而大部分磁致变形材料的应用研发也正是利用了这一特性。因此，研究磁场对磁致变形材料的影响显得意义重大。在磁致变形材料的磁场加载实验方面，目前科研人员已经开展了大量的实验研究，其中大部分实验工作主要关注其准静态磁力学行为。如Müllner等研究了磁性形状记忆合金样品在旋转磁场作用下的轴向伸缩变形并对其疲劳损伤进行了分析，Kucza等讨论了磁性形状记忆合金样品的长宽比对其弯曲应变和轴向应变的影响，Saren等利用激光测振技术测量了脉冲磁场作用下磁性形状记忆合金样品中孪晶界面的迁移速度，Fuchs等研究了磁场对磁流变弹性体刚度的影响，Saslawski和Liu等讨论了磁场对不同类型磁性水凝胶药物释放装置药物释放速率的促进和抑制作用等。

在磁致变形材料的实际应用中，其更多受到的是动态的、多场耦合的、多种模式的加载方式，但在这些加载方式下还有很多关键问题没有得到有效的解决。比如在多模式动态磁场加载下，形状记忆合金孪晶界面的形成与动态演化，多变体存在所形成复杂孪晶结构的形状等还不能清楚地描述；磁流变弹性体、磁性水凝胶疲劳性能、损伤机理与动态发展、微观结构的动态演化，各向异性磁流变弹性体材料力学性能与动态磁场加载时方向角、强度等的准确关系等还不能很好的表示，这些关键问题不能得到有效解决对磁致变形材料的应用和推广造成了很大的阻碍。

为了全面解析磁致变形材料在动态磁场加载下的复杂磁力学行为，在实验方案、测量方法、观测手段等方面还需进一步改进。现有实验方案所存在的主要问题包括：

1、现有实验方案更多关注磁致变形材料的准静态磁场加载实验，无法系统地进行多种模式的动态磁场加载实验，无法全面解析磁致变形材料的复杂动态磁力学行为。

2、现有实验方案的测量方法和观测手段等不利于描述磁致变形材料的复杂动态磁力学行为，比如磁性形状记忆合金孪晶结构的动态演化、磁流变弹性体和磁性水凝胶疲劳损伤的动态发展历程等。

3、为了准确描述磁致变形材料复杂的动态磁力学响应，需要电磁铁提供较强、可调节、持续稳定的旋转磁场，这样的实验方案对大型电磁铁来说难以实现，这也成为了多种加载模式的动态磁场加载实验开展的阻碍。

因此，设计一种适用于磁致变形材料的动态旋转磁场加载实验装置，可以提供多种动态磁场加载模式以全面解析磁致变形材料的材料性能、形貌特征、微观结构的动态演化等复杂动态磁力学行为的实验装置，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中提及的技术问题，提供一种实验用磁场加载动态控制装置，能够利用动态旋转控制和实时观测来研究磁致变形材料的材料性能、形貌特征、微观结构等。

本发明所采用的技术方案是：

一种实验用磁场加载动态控制装置，包括：

基座；

动力模块，设置在所述基座上，所述动力模块包括驱动部；

旋转台，包括旋转底座、支撑平台以及样品夹持平台，所述旋转底座固定设置在所述驱动部上，所述驱动部驱动所述旋转台绕第一方向轴转动，所述支撑平台转动设置在所述旋转底座上，所述支撑平台绕第二方向轴转动，所述样品夹持平台滑动设置在所述支撑平台上，所述第一方向轴和所述第二方向轴相互垂直，所述样品夹持平台的滑动方向垂直于所述第二方向轴，所述样品夹持平台用于放置待测试样品；

控制系统，与所述动力模块连接，用于控制所述旋转台的转动角度、方向以及转速；以及

图像采集系统，固定设置在所述支撑平台上，所述图像采集系统朝向所述样品夹持平台设置并用于采集所述待测试样品的实时数据。

进一步地，所述旋转底座设置成凵形，所述支撑平台转动设置在所述旋转底座的两侧壁上，所述旋转底座的两侧壁上均设置有第一调节螺栓，所述第一调节螺栓分别指向所述支撑平台的两侧部。

进一步地，所述旋转底座的两侧壁上设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽内设置有圆盘，所述圆盘上设置有方形孔，所述支撑平台的两侧部设置有方形翼部，所述方形翼部插接至所述方形孔内。

进一步地，所述样品夹持平台包括一侧向夹持机构，所述侧向夹持机构包括两个弹性夹持片，两个所述弹性夹持片夹持在所述待测试样品的左右两侧部，两个所述夹持片之间设置有用于调节松紧的第二调节螺栓。

进一步地，样品夹持平台还包括一套箍，所述套箍紧箍在所述待测试样品的上表面，使得所述待测试样品的下表面与所述样品夹持平台紧贴。

进一步地，所述图像采集系统包括支架、相机升降平台以及相机，所述支架固定设置在所述样品夹持平台上，所述相机设置在所述相机升降平台上，所述相机升降平台滑动设置在所述支架上，用于调节所述相机与所述待测试样品之间的间距。

进一步地，所述图像采集系统还包括光源，所述光源转动设置在所述支架上，所述光源的转动中心轴线与所述第二方向轴平行。

进一步地，所述动力模块包括驱动电机、带传动机构以及传动轴，所述传动轴沿所述第一方向轴转动安装在所述基座上，所述传动轴上套装有固定环，所述固定环能够沿所述传动轴滑动并锁止。

进一步地，所述支撑平台上设置有U形槽，所述样品夹持平台嵌入至所述U形槽内，所述支撑平台上设置有第三调节螺栓，所述第三调节螺栓指向所述U形槽。

进一步地，所述基座、旋转台、第一调节螺栓、第二调节螺栓以及第三调节螺栓均由无磁性材料制成。

有益效果：本实验用磁场加载动态控制装置中，通过控制旋转台转动，使得待测试样品跟随转动，通过待测试样品旋转代替磁场旋转，有效简化了实验过程和实验装置。同时，方便实现磁致变形材料样品多种加载模式的动态磁场加载实验。并且该实验用磁场加载动态控制装置中将DIC(数字图像相关法)方法引入磁致变形材料样品动态磁场加载实验，有助于获得样品在整个变形过程中的全局应变场，利用全局应变场可以全面分析样品疲劳性能、损伤机理与动态发展、微观结构的动态演化等。实验过程中，图像采集系统与样品夹持平台上的待测试样品保持相对静止，不但提高了图像采集质量，同时也避免处理转动刚体位移的对DIC分析结果影响，简化了DIC分析的计算过程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明：

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为样品夹持平台详图；

图3为样品长轴顺磁场方向加载方式示意图；

图4为样品长轴顺磁场方向加载时样品应变云图；

图5为样品长轴顺磁场方向加载时样品应变云图；

图6为样品长轴垂直磁场方向加载方式示意图；

图7为样品长轴垂直磁场方向加载时样品应变云图；

图8为样品长轴垂直磁场方向加载时样品应变云图；

图9为样品在恒定磁场动态旋转加载方式示意图；

图10为样品在恒定磁场动态旋转加载时样品应变云图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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和简化描述，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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1和图2，本发明实施例提供一种实验用磁场加载动态控制装置，主要由基座、动力模块、旋转台、控制系统22以及图像采集系统组装而成。

其中，基座用于实现其他零部件的安装，并实现整个实验用磁场加载动态控制装置的支撑。

动力模块用于提供动力并驱动旋转台转动。动力模块安装在基座上，动力模块具有一个驱动部。旋转台主要由旋转底座、支撑平台15以及样品夹持平台23组成。

继续参照图1，旋转底座固定安装在驱动部上，驱动部驱动旋转台绕第一方向轴转动，支撑平台15转动设置在旋转底座上，支撑平台15绕第二方向轴转动，样品夹持平台23滑动设置在支撑平台15上，第一方向轴和第二方向轴相互垂直，样品夹持平台23的滑动方向垂直于第二方向轴，样品夹持平台23用于放置待测试样品16。

样品夹持平台23可在垂直于第二方向轴的方向上滑动，当滑动到合适位置后，通过紧固件实现样品夹持平台23的固定，如此一来，有效的确保了样品夹持平台23所夹持的待测试样品16的中心位置基本位于第一方向轴上。并且，通过支撑平台15的转动可以实现待测试样品16的角度调节，便于模拟多种加载模式的动态磁场加载实验。

需要理解的是，本实施例中，第一方向轴为竖直向上，第二方向轴为水平轴向。

同时，控制系统22与动力模块连接，用于控制旋转台的转动角度、方向以及转速。图像采集系统固定设置在支撑平台15上，跟随支撑平台15一同转动。图像采集系统朝向样品夹持平台23设置并用于采集待测试样品16的实时数据。

再次参照图1和图2，具体地，基座包括上层铝合金板8、中层铝合金板4、下层铝合金板1、黄铜螺栓和黄铜管3。上、中、下三层铝合金板之间通过黄铜螺栓组装，黄铜螺栓嵌套固定长度的黄铜管3。

同时，动力模块包括驱动电机、带传动机构以及传动轴7，传动轴7沿第一方向轴转动安装在基座上，传动轴7上套装有位于基座上方的固定环10，固定环10能够沿传动轴7滑动并锁止。

具体地，驱动电机为42步进电机2，带传动机构包括同步带轮5以及同步传送皮带6。42步进电机2安装于中层铝合金板4，其输出轴安装同步带轮5，通过同步传动皮带与安装于传动轴7上的另一个同步带轮5形成动力传输系统。其中传动轴7嵌套于2个氧化锆轴承9并分别固定于中层铝合金板4和上层铝合金板8的轴承槽。在上层铝合金板8的上、下表面，分别在传动轴7嵌套固定环10，以根据需要调整并固定传动轴7在竖直方向的位置，传动轴7上端安装铝合金法兰11实现与其他机构的连接。

控制系统22包括控制器和驱动器，控制系统22与42步进电机2连接，用于控制42步进电机2的启停、转向和转速，进而控制旋转台的转动角度、方向以及转速。

优选地，旋转底座设置成凵形，支撑平台15转动设置在旋转底座的两侧壁上，旋转底座的两侧壁上均设置有第一调节螺栓，第一调节螺栓分别指向支撑平台15的两侧部。

进一步地，旋转底座的两侧壁上设置有圆形凹槽，圆形凹槽内设置有圆盘14，圆盘14上设置有方形孔，支撑平台15的两侧部设置有方形翼部，方形翼部插接至方形孔内。

继续参照图2，样品夹持平台23包括侧向夹持机构以及套箍25，侧向夹持机构包括两个弹性夹持片24，两个弹性夹持片24一端与样品夹持平台23固定连接，另一端具有弹性以便于夹持，两个弹性夹持片24夹持在待测试样品16的左右两侧部，两个夹持片之间设置有用于调节松紧的第二调节螺栓。套箍25紧箍在待测试样品16的上表面，使得待测试样品16的下表面与样品夹持平台23紧贴，确保夹紧待测试样品16。

优选地，支撑平台15上设置有U形槽，样品夹持平台23嵌入至U形槽内，支撑平台15的底部设置有两个第三调节螺栓，第三调节螺栓指向U形槽，用于紧固样品夹持平台23。

具体地，旋转底座包括铝合金底座12和支座13，两个支座13固定安装在铝合金底座12的两侧，整体构成凵形。铝合金底座12通过黄铜螺栓与铝合金法兰11连接，支座13嵌入预留在铝合金底座12的凹槽并通过黄铜螺栓固定，支座13预留圆形凹槽并嵌入中间开方形孔的圆盘14，支撑平台15的方形翼部嵌入圆盘14的方形孔以实现支撑平台15的自由转动。第一调节螺栓为黄铜定位螺栓且数量为4个。支座13设4枚黄铜定位螺栓用于固定支撑平台15转动后的位置。

样品夹持平台23嵌入支撑平台15预设的U形槽内并可自由滑动，设置两枚黄铜螺栓用于固定其位置。第二调节螺栓为黄铜螺栓，通过拧紧或拧松黄铜螺栓即可调整侧向夹持机构中两个弹性夹持片24的夹持程度。

图像采集系统包括支架17、相机升降平台19以及相机20，支架17固定设置在样品夹持平台23，相机20设置在相机升降平台19上，相机升降平台19滑动设置在支架17上，用于调节相机20与待测试样品16之间的间距。相机20与计算机21相连，以处理实时采集的图像数据。

优选地，图像采集系统还包括光源，光源转动设置在支架17上，光源的转动中心轴线与第二方向轴平行。本实施例中，光源选用直流LED灯18。

继续参照图1，支架17通过黄铜螺栓固定于样品夹持平台23，支架17下部预留方形槽安装直流LED灯18，直流LED灯18可转动并通过定位螺丝固定于支架17，支架17上半部为导轨结构，相机升降平台19嵌入导轨可上下滑动以调整相机20在竖直方向的高度，相机升降平台19与支架17之间设一枚黄铜螺栓以固定相机升降平台19的位置，相机20通过黄铜螺栓固定于相机升降平台19。

优选地，基座、旋转台、第一调节螺栓、第二调节螺栓以及第三调节螺栓均由无磁性材料制成。

本实验用磁场加载动态控制装置与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、用样品旋转代替磁场旋转以简化实验过程和实验装置。

为了提供足够强度的磁场以全面观测并解析磁致变形材料在动态磁场中的复杂磁力学行为，一般需要使用大型电磁铁产生的强磁场来完成，然而大型电磁铁的旋转比较困难。本发明提出的一种用于磁致变形材料的实验用磁场加载动态控制装置，在中低速匀速旋转下，用样品旋转代替电磁铁旋转能够取得类似的效果，极大地简化了实验过程和实验装置。

2、实现磁致变形材料样品多种加载模式的动态磁场加载实验。

本发明提出的一种用于磁致变形材料的实验用磁场加载动态控制装置，能够实现样品长轴顺磁场方向增加磁场强度加载、样品长轴垂直磁场方向增加磁场强度加载和样品在恒定磁场动态旋转加载(可任意调整样品与水平面夹角)，并可顺利完成图像采集。多种动态加载方式有助于全面描述磁致变形材料的多种复杂动态磁力学行为。

3、将DIC方法引入磁致变形材料样品动态磁场加载实验。

本发明所提出的一种用于磁致变形材料的实验用磁场加载动态控制装置，将DIC方法引入磁致变形材料样品动态磁场加载实验，有助于获得样品在整个变形过程中的全局应变场，利用全局应变场可以全面分析样品疲劳性能、损伤机理与动态发展、微观结构的动态演化等。

4、避免考虑样品转动刚体位移。

本发明所提出的一种用于磁致变形材料的实验用磁场加载动态控制装置，将相机20与样品夹持平台23固定在一起，相机20在转动过程中与未变形样品保持相对静止，不但提高了图像采集质量，同时也避免处理转动刚体位移的对DIC分析结果影响，简化了DIC分析的计算过程。

下面结合图3至图10，并以典型磁致变形材料单晶NiMnGa合金为例，对本发明做进一步描述。

示例一：单晶NiMnGa合金样品长轴顺磁场方向增加磁场强度加载。

加载方式参照图3。实验开始前，先将样品做训练处理，经过训练样品中变体易磁化轴(变体短轴)垂直于样品长轴方向。实验中将单晶NiMnGa合金样品长轴顺磁场方向放置(样品中变体易磁化轴垂直于磁场方向)，通过增大电磁铁电流以增加磁场强度(最大电流增加至15A)，相机20以30FPS速率采集变形过程图像，选取变形过程中具有特征的时间点(9.7s和14.3s)，结合DIC分析程序Ncorr分析样品表面全局应变，分析结果如图4-5所示，通过应变云图可以分析出孪晶界面的形成及动态演化过程。

示例二：单晶NiMnGa合金样品长轴垂直磁场方向持续增加磁场强度加载。

加载方式参照图6。通过观察图4-5中0-33s样品应变云图，可以发现样品大部分区域已完成变体再取向(即变体短轴由垂直于长轴方向转变为平行于长轴方向)，因此示例二的实验样品直接取自示例一实验结束后的样品进行实验。实验中将单晶NiMnGa合金样品长轴垂直磁场方向放置(样品中变体易磁化轴垂直于磁场方向)，通过增大电磁铁电流以增加磁场强度(最大电流增加至15A)，相机20以30FPS速率采集变形过程图像。通过观察Ncorr分析得到的应变云图可以准确捕捉到样品孪晶结构形成的瞬间(15.3s-15.37s)，靠近固定端的孪晶结构最终演化为三角形孪晶结构，如图7-8所示。

示例三：单晶NiMnGa合金样品在恒定磁场中动态旋转加载。

加载方式参照图9。实验时，样品长轴顺磁场方向放置，增大电流至15A并保持，通过控制器控制42步进电机2以29r/min的转速做匀速旋转，相机20以30FPS速率采集变形过程图像。通过Ncorr分析得到的应变云图可知，样品在0.967-1.267之间快速形成直角三角形状的孪晶结构，最大应变可达到6％左右，如图10所示，此结果与三点弯曲试验结果保持一致。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于，包括：

基座；

动力模块，设置在所述基座上，所述动力模块包括驱动部；

旋转台，包括旋转底座、支撑平台以及样品夹持平台，所述旋转底座固定设置在所述驱动部上，所述驱动部驱动所述旋转台绕第一方向轴转动，所述支撑平台转动设置在所述旋转底座上，所述支撑平台绕第二方向轴转动，所述样品夹持平台滑动设置在所述支撑平台上，所述第一方向轴和所述第二方向轴相互垂直，所述样品夹持平台的滑动方向垂直于所述第二方向轴，所述样品夹持平台用于放置待测试样品；

控制系统，与所述动力模块连接，用于控制所述旋转台的转动角度、方向以及转速；以及

图像采集系统，固定设置在所述支撑平台上，所述图像采集系统朝向所述样品夹持平台设置并用于采集所述待测试样品的实时数据。

2.根据权利要求1所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述旋转底座设置成凵形，所述支撑平台转动设置在所述旋转底座的两侧壁上，所述旋转底座的两侧壁上均设置有第一调节螺栓，所述第一调节螺栓分别指向所述支撑平台的两侧部。

3.根据权利要求2所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述旋转底座的两侧壁上设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽内设置有圆盘，所述圆盘上设置有方形孔，所述支撑平台的两侧部设置有方形翼部，所述方形翼部插接至所述方形孔内。

4.根据权利要求3所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述样品夹持平台包括一侧向夹持机构，所述侧向夹持机构包括两个弹性夹持片，两个所述弹性夹持片夹持在所述待测试样品的左右两侧部，两个所述夹持片之间设置有用于调节松紧的第二调节螺栓。

5.根据权利要求4所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：样品夹持平台还包括一套箍，所述套箍紧箍在所述待测试样品的上表面，使得所述待测试样品的下表面与所述样品夹持平台紧贴。

6.根据权利要求1至5任一项所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述图像采集系统包括支架、相机升降平台以及相机，所述支架固定设置在所述样品夹持平台上，所述相机设置在所述相机升降平台上，所述相机升降平台滑动设置在所述支架上，用于调节所述相机与所述待测试样品之间的间距。

7.根据权利要求6所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述图像采集系统还包括光源，所述光源转动设置在所述支架上，所述光源的转动中心轴线与所述第二方向轴平行。

8.根据权利要求1至5任一项所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述动力模块包括驱动电机、带传动机构以及传动轴，所述传动轴沿所述第一方向轴转动安装在所述基座上，所述传动轴上套装有固定环，所述固定环能够沿所述传动轴滑动并锁止。

9.根据权利要求4所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述支撑平台上设置有U形槽，所述样品夹持平台嵌入至所述U形槽内，所述支撑平台上设置有第三调节螺栓，所述第三调节螺栓指向所述U形槽。

10.根据权利要求9所述的实验用磁场加载动态控制装置，其特征在于：所述基座、旋转台、第一调节螺栓、第二调节螺栓以及第三调节螺栓均由无磁性材料制成。

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