CN112198050B - 一种多轴加载试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴加载试验机，包括基座、定位分角单元、加载单元、测试单元和控制单元，定位分角单元包括呈环形的第一轨道，第一轨道水平设置在基座上；加载单元可拆安装在定位分角单元上，加载单元包括多个用以为试件提供拉压力的加载器，加载器设置为在第一轨道上滑动，且加载器上设有锁定机构，可将就位的加载器锁定在第一轨道上；测试单元设置在加载单元上，测量实验数据；控制单元分别与加载单元和测试单元电连接，用以控制加载单元动作和收集所述实验数据。本发明涉及材料力学实验设备领域，提供了一种多轴加载试验机，加载单元可拆安装，可根据加载情况的需要灵活选择加载器的数量和位置，满足各种加载需求，使得使用更加灵活。

Description

一种多轴加载试验机

技术领域

本发明涉及材料力学实验设备领域，更具体地，涉及一种多轴加载试验机。

背景技术

目前，比较成熟的材料力学实验设备是单轴两点拉伸压缩试验机，可以实现材料在一个轴上的拉伸压缩实验等，而多轴多点拉压试验机并没有统一标准。现有的多轴拉压试验机多为对称加载，如双轴四点加载(即轴间夹角90°)，或三轴六点加载(即轴间夹角为120°)，或四轴八点加载(及轴间夹角为45°)。这些多轴加载试验机只能实现针对某种受力状态进行加载实验，这些多轴试验机只能进行平面内固定角度轴对称式加载，无法实现空间加载和任意角度加载。而且，以上设备的拉压加载部件固定其上，无法调整位置，使得整体适应性较差，无法灵活更改加载方向，即加载形式。如果需要改变受力状态，就需要改动试验机的设计，更换复杂，且更换周期长。另外，现有多轴加载试验机仅能实现单一平面内的加载，无法实现复杂结构空间任意角度加载，无法满足复杂受力状态工程及理论研究的需要。

发明内容

本发明实施例提供了一种多轴加载试验机，包括基座，还包括：

定位分角单元，所述定位分角单元包括呈环形的第一轨道，所述第一轨道水平设置在所述基座上；

加载单元，所述加载单元可拆安装在所述定位分角单元上，所述加载单元包括至少一个用以为试件提供拉压力的加载器，所述加载器设置为在所述第一轨道上滑动，且所述加载器上设有锁定机构，用以将所述加载器锁定在所述第一轨道上；

测试单元，所述测试单元设置在所述加载单元上，用以测量实验数据；

控制单元，所述控制单元分别与所述加载单元和测试单元电连接，用以控制加载单元动作和收集所述实验数据。

一种可能的设计，所述定位分角单元包括第二轨道，所述第二轨道设置为与所述第一轨道相接且呈角度设置，所述第二轨道上设有至少一个所述加载器，用以在上下方向拉压所述试件。

一种可能的设计，所述第一轨道设置为两条直径不同的圆环滑道，所述圆环滑道上设有角度标记，两所述圆环滑道同心设置，所述加载器分别与两所述圆环滑道相接。

一种可能的设计，所述加载器包括机架和设置在所述机架底部的定位滑块，所述定位滑块与所述圆环滑道滑动连接，所述锁定机构设置在所述定位滑块上。

一种可能的设计，所述第二轨道包括设置在所述第一轨道上侧和/或下侧的半圆环滑道，所述半圆环滑道上设置有角度标记，所述半圆环滑道与一所述圆环滑道旋转连接，且设有紧固件，用以锁定所述半圆环滑道与所述圆环滑道的夹角。

一种可能的设计，所述圆环滑道的内侧面和外侧面分别设有周向延伸的凹槽，所述定位滑块的两端分别扣入所述凹槽内，所述锁定机构设置为处于所述定位滑块一端的伸缩件，所述伸缩件伸入所述凹槽内，当锁定所述加载器时，所述伸缩件与所述圆环滑道抵紧。

一种可能的设计，所述凹槽设置为燕尾槽，所述伸缩件设置为与所述定位滑块螺纹连接，所述伸缩件在面向所述凹槽一端设有与所述凹槽匹配的锥形头。

一种可能的设计，所述加载器还包括动力组件、连接组件和用以夹持试件的夹头，所述动力组件固定在所述机架上，所述动力组件的输出端通过所述连接组件与所述夹头连接，用以带动所述夹头沿所述机架长度方向运动。

一种可能的设计，所述动力组件包括驱动件和传动件，所述连接组件包括导向滑块和设置在导向滑块上的连接块，所述连接块与所述夹头相接，所述机架上设有沿其长度方向布置的直线滑道，所述导向滑块设置为在所述直线滑道上滑动，所述驱动件固定在所述机架上，所述驱动件通过所述传动件连接所述导向滑块，用以带动所述导向滑块滑动。

一种可能的设计，所述机架包括前侧端和后侧端，所述前侧端和后侧端分别对应设有所述定位滑块，所述传动件设置为丝杠且一端旋转连接在所述机架的所述前侧端，所述驱动件设置为电机且固定在所述后侧端。

一种可能的设计，所述加载单元包括固定支点模块，所述固定支点模块设置在所述定位分角单元上。

一种可能的设计，所述测试单元包括载荷检测器、位移检测器、水平度检测器和应变检测器，所述载荷检测器设置在所述连接块与所述夹头之间，用以测量拉压载荷值；所述位移检测器设置为测量所述夹头移动距离；水平度检测器设置为测量定位分角单元在加载过程中的水平度；所述应变检测器设置在所述导向滑块上，用以测量所述试件在加载过程中的应变值。

本发明实施例的加载单元可拆安装，可根据加载情况的需要灵活选择加载器的数量，满足多轴多点加载需求，使得使用更加灵活。

本发明实施例的多个加载器可滑动调整位置，可以根据实际研究需要实现空间任意角度分布，实现材料或结构件空间受力模拟加载研究，空间内实现单轴单向加载，单轴双向加载，多轴单向加载或多向加载，多轴多向加载等多种加载情况。

本发明实施例的多轴加载试验机通过交叉的第一轨道和第二轨道，可实现三维空间内任意角度的加载，而且通过选用固定支点模块可实现空间单向任意角度加载，以上实现的两种试验条件是对工程、材料和结构研究及相关理论研究至关重要的，可以说是制约材料及结构工程应用的瓶颈环节之一。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为根据本发明的一实施例的多轴加载试验机示意图；

图2为图1中的定位分角单元第一示意图；

图3为图1中的定位分角单元第二示意图；

图4为图1中的加载器第一示意图；

图5为图1中的加载器第二示意图；

图6为图1中的多轴加载试验机电连接示意图；

图7为根据本发明的又一实施例的多轴加载试验机示意图。

附图标记：100-定位分角单元、101-第一轨道、102-第二轨道、103-第一圆环滑道、104-第二圆环滑道、105-半圆环滑道、106-凹槽、200-加载单元、201-加载器、202-机架、203-夹头、204-连接块、205-导向滑块、206-定位滑块、207-驱动件、208-传动件、209-滑动槽、210-前侧端、211-后侧端、212-直线滑道、213-凸起、214-伸缩件、215-锥形头、216-支脚、300-测试单元、301-载荷检测器、302-位移检测器、303-水平度检测器、304-应变检测器、400-控制单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

请参阅图1至图6的本发明一实施例的多轴加载试验机，一种材料力学实验设备，可对夹持在其上的试件进行拉伸压缩实验，测试材料性能，该多轴加载试验机可进行单轴单向加载，单轴双向加载，多轴单向加载或多向加载，多轴多向加载等多种加载情况。如图1至图6所示，该多轴加载试验机包括基座(图中未示出)、定位分角单元100、加载单元200、测试单元300和控制单元400，其中，定位分角单元100包括呈环形的第一轨道101，而且该第一轨道101水平设置在基座上；加载单元200则可拆安装在定位分角单元100上，该加载单元200包括多个用以为试件提供拉压力的加载器201，该加载器201设置为在第一轨道101上滑动，且该加载器201上设有锁定机构，可将就位的加载器201锁定在第一轨道101上；该测试单元300设置在加载单元200上，可测量实验数据；该控制单元400分别与加载单元200和测试单元300电连接，既可控制加载单元200动作，又可收集测试单元300得到的实验数据。由此，上述加载单元200可拆安装，可根据加载情况的需要灵活选择加载器201的数量，满足多轴多点加载需求，使得使用更加灵活。而且，多个加载器201可滑动调整位置，满足各种研究需要。

上述基座(图中未示出)采用具有平整台面的平台，该定位分角单元100可固定在该台面上，为了方便更换，该定位分角单元100可通过螺钉、夹持件等可拆安装在该台面。如图1至图3所示，该第一轨道101可固定在基座上，使得其处于水平状态，该第一轨道101由两条直径不同的圆环滑道构成，两圆环滑道可被分为直径较大的第一圆环滑道103和直径较小的第二圆环滑道104，第一圆环滑道103和第二圆环滑道104都固定在基座上，且第一圆环滑道103和第二圆环滑道104同心设置，该第一圆环滑道103和第二圆环滑道104的上端面齐平，保证在其上滑动的加载单元200也保持水平。由此，定位分角单元100上各个加载器201的夹头203也都处于同一高度，使得夹持的试件也处于水平或接近水平的状态，各个夹头203所处平面可设为第一平面。另外，第一圆环滑道103和第二圆环滑道104上端面都设有角度标记(图中未示出)，且两者角度标记相对应，使得实验人员可轻松读取角度位置；第一圆环滑道103和第二圆环滑道104的横截面的宽度相同，且尺寸可根据载荷的大小进行设计，确保在加载过程中具有足够的刚度。

又如图1至图3所示，该定位分角单元100除上述第一轨道101外，还包括第二轨道102，该第二轨道102非水平，即设置为与第一轨道101相接且呈角度设置，该第二轨道102上设有至少一个上述加载器201，可在上侧拉压试件。其中，该第二轨道102包括设置在第一轨道101上侧的半圆环滑道105，该半圆环滑道105与第一圆滑滑道102相接且小于第一圆滑滑道102的直径，半圆环滑道105的两端通过转轴与第一圆滑滑道102旋转连接，可绕连接半圆环滑道105两端的直线旋转，改变半圆环滑道105与第一圆滑滑道102的夹角，调整其上的加载器201的位置。而且，该半圆环滑道105在转轴处设有紧固件，可锁定半圆环滑道105与第一圆滑滑道102的夹角。在一些示例性实施例中，为了实验需要，该半圆环滑道105可设置在第一轨道101的下侧，使得可在试件下侧提供拉伸压缩的力；或者在第一轨道101的上下两侧都设有一半圆环滑道105，使得试件上下方向都可收到拉伸压缩的力。另外，该半圆环滑道105上也设置有类似于第一轨道101上的角度标记。由此，该多轴加载试验机提供的拉压力，不再如现有相关设备仅局限于水平面内，而是扩展至三维空间，该多轴加载试验机可以根据实际研究需要实现空间任意角度分布，实现材料或结构件三维空间受力模拟加载研究，这是对工程、材料和结构研究及相关理论研究至关重要的，可以说是制约材料及结构工程应用的瓶颈环节之一，例如复合材料复杂受力状态研究无法实现，严重限制了该材料在航空航天等领域的广泛应用。

如图1所示，该第一轨道101上设有8个规格相同的加载器201，且沿第一轨道101的周向均匀布置，形成两两相对。该加载器201的数量，实验人员可以根据实验需求更改，简单的拆卸或安装既可完成不同实验之间的切换，无需更换整个设备。就单个加载器201而言，如图4和图5所示，该加载器201包括机架202和设置在机架202底部的定位滑块206，该定位滑块206可与第一轨道101滑动连接。该机架202长度方向的两端分别为前侧端210和后侧端211，该前侧端210和后侧端211的底部分别对应设有定位滑块206，前侧端210和后侧端211分别设有限位的板材，使得前侧端210和后侧端211之间形成了滑动槽209。该加载器201还包括动力组件、连接组件和用以夹持试件的夹头203，该动力组件固定在所述机架202上，而且动力组件的输出端通过连接组件与夹头203连接，可带动夹头203沿机架202长度方向运动。其中，该动力组件包括驱动件207和传动件208，该连接组件包括导向滑块205和设置在导向滑块205上端的连接块204；后侧端211设有固定驱动件207的开口腔，该驱动件207的输出端伸入该开口腔内，该传动件208的一端与驱动件207的输出端连接，另一端穿过开口腔的腔壁伸入到滑动槽209内并延伸至前侧端210；该滑动槽209铺设有直线滑道212，导向滑块205设置为在直线滑道212上滑动；该连接块204与夹头203相接，且夹头203突出前侧端210。该驱动件207设置为步进电机或私服电机，该传动件208设置为丝杠，该传动件208处于前侧端210的端部通过轴承与机架202旋转连接，使得丝杆可在驱动件207带动下旋转，该导向滑块205加工有贯通内螺纹，可与丝杠配合，使得丝杆的旋转能够带动其沿直线滑道212滑动，从而夹头203也随之运动。夹头203远离驱动件207则对试件进行压缩，夹头203靠近驱动件207则对试件进行拉伸。在一些示例性实施例中，该驱动件207还可为液压缸等，可通过伸缩杆直接拉动导向滑块205。

又如图2至图5所示，该第一圆环滑道103、第二圆环滑道104和半圆环滑道105的内侧面和外侧面都设有凹槽106，以第一圆环滑道103为例，该第一圆环滑道103上的凹槽106设有其周向延伸，也围成环形，该定位滑块206的两端设有向下的翻边，使其呈倒置的U型，其倒扣在第一圆环滑道103上，两翻边的距离大于第一圆环滑道103宽度，而且定位滑块206两端的翻边分别设有突出的凸起213和伸缩件214，两者都可扣入凹槽106，使得定位滑块206可在第一圆环滑道103上滑动。为了便捷安装，该凹槽106设置为燕尾槽，该凸起213设置为锥形，与凹槽106相匹配，该伸缩件214设置为与定位滑块206的翻边螺纹连接，构成上述锁定机构，使得伸缩件214可调整入凹槽106的长度，而且伸缩件214在面向凹槽106一端设有与凹槽106匹配的锥形头215。当需要锁定加载器201位置时，可旋转该伸缩件214，使得锥形头215抵紧在凹槽106的槽底，即可轻松完成锁定，反之如需要更改加载器201位置，旋转松动伸缩件214即可。另外，一个机架202上设有两个定位滑块206，两个定位滑块206分别与第一圆环滑道103和第二圆环滑道104相接，使得单一加载器201在滑动时处于第一圆环滑道103和第二圆环滑道104共同导向下，也使得在锁定时加载器201两端都得到相对稳定的固定。

由上述可知，当所有加载器201固定锁定后，第一轨道101上的所有夹头203都处于上述第一平面内且围成圆环状，相对的两加载器201处在所围成圆环的一直径方向上，且都对试件施力，即为单轴双向加载，如此，该多轴加载试验机可在三维空间内实现单轴双向加载，多轴多向加载等多种加载情况。

又如图4和图6所示，该测试单元300包括载荷检测器301、位移检测器302、水平度检测器303和应变检测器304，其中，该载荷检测器301设置在连接块204与夹头203之间，连接两者，该载荷检测器301传递力，可测量拉压力的载荷值。上述位移检测器302可采用编码器，对丝杠转动角度进行测量，从而计算得到夹头203移动的距离。上述水平度检测器303可设置在加载单元200或者定位分角单元100上，可测量加载过程中的水平度。该应变检测器304设置在导向滑块205上，可利用3DDIC或电阻应变片法测量试件在加载过程中的应变值。上述控制单元400与各个加载器201的驱动件电连接，可根据实验人员的输入数据控制加载单元200动作，满足各向加载方式和大小的要求，而且控制单元400分别与载荷检测器301、位移检测器302、水平度检测器303和应变检测器304电连接，可汇总测得的载荷值、移动距离、水平度和应变值，显示给实验人员，形成反馈，该控制单元400还可进行实验设计和执行顺序的控制。

在使用该多轴加载试验机时，首先，实验人员可根据需求调整加载器位置和数量，满足加载需求；在加载过程中，实验人员可输入数据，由控制单元400控制各个加载器201同时动作或者分时动作，测试单元300进行测量，得到实验数据并实时将实验数据传输给控制单元400，该控制单元400可整理和分析实验数据。

在一些示例性实施例中，该加载单元还包括固定支点模块(图中未示出)，该固定支点模块与加载器类似，区别在于无驱动组件，该连接组件固定在机架上，使得固定支点模块无载荷输出。该固定支点模块可配合一加载器进行单向加载，其中，该固定支点模块和加载器分别居于第一轨道的两侧，试件的两端分别被固定支点模块和加载器夹持，实现单轴单向加载。当需要多轴单向加载，则需要多个固定支点模块和与其一一对应的加载器，对应布置即可。由此，单向加载是对工程、材料和结构研究及相关理论研究至关重要的，也是制约材料及结构工程应用的瓶颈环节之一。

在一示例性实施例中，如图7所示，该第一轨道101仅为一个圆环滑道构成，加载器的机架202的前侧端在该圆环滑道上滑动，同样可变更加载器的位置，该机架202的后侧端的底部设有支脚216，支撑机架202，使之水平。另外，该第一轨道101还可为方形、矩形、椭圆形滑道，形成封闭环形即可。

在一示例性实施例中，定位分角单元100上设有旋转机构(图中未示出)，该旋转机构的输出端可带动各个加载器201在第一轨道101上单独滑动，无需人工手动调节加载器位置。而且，该旋转机构还与控制单元400电连接，该控制单元400可控制旋转机构动作，使得实验人员通过控制单元400发出指示，即可远程控制加载器201精确移动到要求位置。

结合上述实施例，本发明实施例的加载单元可拆安装，可根据加载情况的需要可以灵活选择加载器的数量，满足多轴多点加载需求，使得使用更加灵活。本发明实施例的多个加载器可滑动调整位置，可以根据实际研究需要实现空间任意角度分布，实现材料或结构件空间受力模拟加载研究，空间内实现单轴单向加载，单轴双向加载，多轴单向加载或多向加载，多轴多向加载等多种加载情况。本发明实施例的多轴加载试验机通过交叉的第一轨道和第二轨道，可实现三维空间内任意角度的加载，而且通过选用固定支点模块可实现空间单向任意角度加载，以上实现的两种试验条件是对工程、材料和结构研究及相关理论研究至关重要的，可以说是制约材料及结构工程应用的瓶颈环节之一。

在本发明中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”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结构具有特定的方位、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。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”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。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (10)

1.一种多轴加载试验机，包括基座，其特征在于，还包括：

定位分角单元，所述定位分角单元包括呈环形的第一轨道，所述第一轨道水平设置在所述基座上；

加载单元，所述加载单元可拆安装在所述定位分角单元上，所述加载单元包括至少一个用以为试件提供拉压力的加载器，所述加载器设置为在所述第一轨道上滑动，且所述加载器上设有锁定机构，用以将所述加载器锁定在所述第一轨道上；

测试单元，所述测试单元设置在所述加载单元上，用以测量实验数据；

控制单元，所述控制单元分别与所述加载单元和测试单元电连接，用以控制加载单元动作和收集所述实验数据；

所述定位分角单元包括第二轨道，所述第二轨道设置为与所述第一轨道相接且呈角度设置，所述第二轨道上设有至少一个所述加载器，用以在上下方向拉压所述试件；

所述第一轨道设置为两条直径不同的圆环滑道，所述圆环滑道上设有角度标记，两所述圆环滑道同心设置，所述加载器分别与两所述圆环滑道相接。

2.根据权利要求1所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述加载器包括机架和设置在所述机架底部的定位滑块，所述定位滑块与所述圆环滑道滑动连接，所述锁定机构设置在所述定位滑块上。

3.根据权利要求1所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述第二轨道包括设置在所述第一轨道上侧和/或下侧的半圆环滑道，所述半圆环滑道上设置有角度标记，所述半圆环滑道与一所述圆环滑道旋转连接，且设有紧固件，用以锁定所述半圆环滑道与所述圆环滑道的夹角。

4.根据权利要求2所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述圆环滑道的内侧面和外侧面分别设有周向延伸的凹槽，所述定位滑块的两端分别扣入所述凹槽内，所述锁定机构设置为处于所述定位滑块一端的伸缩件，所述伸缩件伸入所述凹槽内，当锁定所述加载器时，所述伸缩件与所述圆环滑道抵紧。

5.根据权利要求4所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述凹槽设置为燕尾槽，所述伸缩件设置为与所述定位滑块螺纹连接，所述伸缩件在面向所述凹槽一端设有与所述凹槽匹配的锥形头。

6.根据权利要求2所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述加载器还包括动力组件、连接组件和用以夹持试件的夹头，所述动力组件固定在所述机架上，所述动力组件的输出端通过所述连接组件与所述夹头连接，用以带动所述夹头沿所述机架长度方向运动。

7.根据权利要求6所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述动力组件包括驱动件和传动件，所述连接组件包括导向滑块和设置在导向滑块上的连接块，所述连接块与所述夹头相接，所述机架上设有沿其长度方向布置的直线滑道，所述导向滑块设置为在所述直线滑道上滑动，所述驱动件固定在所述机架上，所述驱动件通过所述传动件连接所述导向滑块，用以带动所述导向滑块滑动。

8.根据权利要求7所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述机架包括前侧端和后侧端，所述前侧端和后侧端分别对应设有所述定位滑块，所述传动件设置为丝杠且一端旋转连接在所述机架的所述前侧端，所述驱动件设置为电机且固定在所述后侧端。

9.根据权利要求7所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述加载单元包括固定支点模块，所述固定支点模块设置在所述定位分角单元上。

10.根据权利要求7所述的多轴加载试验机，其特征在于，所述测试单元包括载荷检测器、位移检测器、水平度检测器和应变检测器，所述载荷检测器设置在所述连接块与所述夹头之间，用以测量拉压载荷值；所述位移检测器设置为测量所述夹头移动距离；水平度检测器设置为测量定位分角单元在加载过程中的水平度；所述应变检测器设置在所述导向滑块上，用以测量所述试件在加载过程中的应变值。

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