CN112683698A - 一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台，包括底座，三维应变变形系统，冲击台板固接在底座导柱上，底座和冲击台板中间安装拉伸装置，冲击台板上固接立架、导轨和限位缓冲装置，导轨和立架顶端装有顶板，吊钩抓取机构和冲击重锤沿导轨滑动，提升卷扬机通过钢丝绳带动吊钩抓取机构升降；所述的冲击重锤侧面支架绕有弹性绳；所述的拉伸装置安有拉伸试件和柱式拉力传感器。本发明能够精确测量金属及复合材料的中等应变速率拉伸应力应变数值，适用范围广，可多次进行重复试验。

Description

一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台

技术领域

本发明属于材料应力-应变测试技术领域，涉及一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台。

背景技术

应变速率对金属及复合材料的抗拉强度和塑性变形性能有着显著影响，开发合适的试验方法和设备研究不同应变速率加载下材料的特性变化已经得到广泛关注。工程材料往往受到中等速率的冲击载荷，对中等应变率拉伸试验下材料应力应变曲线进行分析，建立失效模型，准确预测材料成形极限，对于生产实践有着重要意义，例如车辆异物撞击、金属成型和锻造轧制工艺等。

现有的伺服液压高速拉伸试验机，可实现高达500/s应变率的拉伸试验，然而，复杂的控制系统和驱动系统导致其成本高昂。此外，开环控制和响应延迟使得拉伸过程中应变速率无法保持恒定，应力应变曲线存在波动；适用于高等应变率拉伸变形的霍普金森杆试验装置，中等应变率意味着较长的加载时间，至少需要将撞击杆加长到2.5m，这对发射装置的功率提出了挑战，整体试验装置尺寸的加大和繁琐的信号处理工作也导致试验难度增加。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台，该试验台能够准确测量金属及复合材料中等应变率拉伸试验的应力应变曲线。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台，包括：

底座，所述底座上安装拉伸装置；

冲击台板，所述冲击台板设置于拉伸装置的上方，冲击台板上安装有限位缓冲装置，中心开设有冲击孔；所述冲击台板的上方设置上顶板，冲击台板通过两立架与上顶板相连，冲击台板与上顶板之间还设置有导轨；所述立架的内侧设置有用于检测提升重锤底部锥形冲击器的光电传感器；

限位缓冲装置，所述限位缓冲装置，中心开设有中心孔，所述中心孔与冲击台板的冲击孔的心位于同一轴线上；

拉伸装置，所述拉伸装置包括柱式拉力传感器，柱式拉力传感器的底部通过夹具安装拉伸试件；

吊钩抓取机构，所述吊钩抓取机构安装于导轨上，并通过提升卷扬机驱动沿导轨运动；

提升重锤，所述提升重锤连接在吊钩抓取机构的底部，并安装于导轨上，在吊钩抓取机构的带动下沿导轨运动，使锥形冲击器向下冲击撞击撞击框架；

三维应变变形系统，所述三维应变变形系统包括三维可调支架，以及安装在三维可调支架上的工业高速相机；光电传感器检测到冲击重锤后触发工业高速相机，工业高速相机观测拉伸试件中间标定区域，完成应变场测量。

本发明进一步的改进在于：

所述底座通过四根支柱与冲击台板相连。

所述吊钩抓取机构包括安装板，所述安装板的顶面安装有驱动气缸和第一吊环，所述驱动气缸的活塞杆向下穿过安装板，末端通过关节轴承与双耳环滑块相连，双耳环滑块上安装吊钩，通过吊钩连接提升重锤；第一吊环上连接钢丝绳，所述钢丝绳绕过定滑轮组与提升卷扬机相连，所述定滑轮组安装在上顶板上。

所述提升重锤包括提升横梁，所述提升横梁与吊钩相连，底部连接重锤支架，所述重锤支架内部装设质量块，底部安装锥形冲击器。

所述限位缓冲装置包括撞击台板，所述撞击台板通过四根导杆安装于冲击台板的上表面，四根导杆上均套设有压缩弹簧，顶部分别设置阻尼垫；中心孔开设于撞击台板的中心处；撞击台板与冲击台板之间还设置有两个塑料保险杆，两个塑料保险杆设置于撞击台板的前后两端。

所述拉伸装置包括固定底板和撞击框架，所述固定底板上安装有两个导柱支架，两个导柱支架之间设置固定框架；导柱的底部与导柱支架顶部的横梁固定连接；柱式拉力传感器安装于固定框架横梁的底部，柱式拉力传感器的底部安装有固定接板

所述撞击框架的顶板四角设置滚珠导套，四根导柱与滚珠导套间隙配合；撞击框架的两侧板向下穿过固定框架的顶板，两侧板底部之间固定连接有下支撑架。

所述夹具包括上夹具和下夹具，所述下夹具安装于下支撑架上，上夹具安装于固定接板的底部；上夹具和下夹具用于夹紧拉伸试件，并露出中间标定区域。

所述两个立架的外侧分别安装有第二吊环和定滑轮，冲击台板的底面两侧设置有两组滑轮组，弹性绳的两端分别连接在立架两侧的第二吊环上，且依次绕过一侧定滑轮、第一组滑轮组、重锤支架、第二组滑轮组以及另一侧定滑轮。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中基于滚珠导柱导套的撞击框架，结构对称，便于安装使用，整体质量小，可极大程度上减小由于撞击框架惯性和摩擦力所导致的应力应变曲线波动，实现恒定应变速率拉伸。本发明结构简单，没有复杂的控制系统，能够以较低成本和简单的机械结构实现金属及复合材料中等应变率拉伸下的应力-应变数据测量。

进一步的，本发明中的上夹具和下夹具设计可防止拉伸试件弯曲变形，通过更换上夹具和下夹具可实现对不同尺寸试件的拉伸试验。

进一步的，本发明中的限位缓冲装置可有效阻止锥形撞击器进一步撞击，避免撞击框架对固定底板产生较大的冲击，柱式拉力传感器几乎不受影响，可重复进行多次试验。

进一步的，本发明中的弹性牵引绳，在冲击重锤速度较低时，可保证撞击过程中速度保持一致，并在一定程度上提升冲击重锤的冲击速度，实现更大应变率的拉伸试验。

进一步的，本发明中立架内侧的光电传感器检测到冲击重锤后，可触发工业高速相机进行图像采集，通过调节三维支架，可实现对试件标定区域的准确观察，基于DIC的三维应变变形系统测量范围广，保证了材料试验过程中应变数据的准确测定。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明总体结构三维示意图；

图2是本发明提升释放冲击重锤示意图；

图3是本发明限位缓冲装置示意图；

图4是本发明拉伸装置部分示意图1；

图5是本发明拉伸装置部分示意图2；

图6是本发明试件夹具配合示意图；

图7是触发相机观测示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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；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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-7，本发明实施例公开一种材料中等应变速率拉伸试验平台，包括底座1，冲击台板4通过支柱2固定在底座1上；立架6通过支架螺栓13对称安装在冲击台板4两侧；冲击台板4中心设有冲击孔，限位缓冲装置12以冲击孔为中心安装在冲击平板上，撞击台板12-5中心孔与冲击孔中心一致；冲击孔两侧等距设有导轨7；立架6和导轨7顶部安装有上顶板8；

导轨7与吊钩抓取机构9滑移配合；钢丝绳3-1末端与第一吊环9-5连接，带动吊钩抓取机构9沿导轨升降；

上顶板8上方固定安装定滑轮组3-2；钢丝绳3-1通过定滑轮组3-2缠绕在提升卷扬机3上；

如图2所示，吊钩抓取机构9通过驱动气缸9-1活塞杆的上下运动，经关节轴承9-2和双耳环滑块9-3，控制吊钩9-4的转动，完成对提升横梁10-1的抓取释放，实现提升重锤10的提升冲击，提升重锤10与导轨7滑移配合，下端与锥形冲击器10-3螺纹配合，内部可装卸加载质量块10-2，一侧焊接重锤支架10-4，上端焊接提升横梁10-1；

如图3所示，限位缓冲装置12包括四根导杆12-3和压缩弹簧12-1，撞击台板12-5、四个阻尼垫12-4，两个塑料保险杆12-2固定在冲击台板4上并位于撞击台板12-5前后两端，锥形冲击器10-3可通过冲击台板4的中心孔对撞击框架14-4实现撞击，实现拉伸试件14-9的拉伸，在拉伸试件14-9断裂后，拉伸重锤10对撞击台板12-5产生撞击，先后在压缩弹簧12-1和塑料保险杆12-2的作用下，停止运动；

如图4所示，底座1和冲击台板4中间安装拉伸装置14，固定底板14-1通过螺栓连接固定在底座1上，撞击框架14-7中心、冲击台板4上冲击孔圆心和锥形冲击器10-3底面中心在竖直方向重合；

固定底板14-1上螺栓连接有导柱支架14-2和固定框架14-4，导柱14-5固接在导柱支架14-2上，固定框架14-4顶板螺栓连接柱式拉力传感器14-3，固定接板14-6通过螺钉连接柱式拉力传感器14-3下端面；

如图5所示，导柱14-5与滚珠导套14-8间隙配合，滚珠导套14-8冷压入撞击框架14-7上顶面，撞击框架侧板14-12可自由通过固定框架14-4顶板上两矩形槽口，撞击框架14-7沿导柱14-5竖直方向自由移动，撞击框架侧板14-12与下支撑架14-11螺栓连接；

如图6所示，下支撑架14-11与下夹具14-10螺纹配合，固定接板14-6与上夹具14-13通过M6螺栓14-14实现紧固配合，实现柱式拉力传感器14-3实时测力，拉伸试件14-9两端与上夹具14-13和下夹具14-10通过螺栓实现位置固定，露出中间标定区域；

如图7所示，立架6外侧板螺钉连接第二吊环5-4和定滑轮5-2，内侧板安装光电传感器11，冲击台板4下端螺栓连接滑轮组5-3，第二吊环5-4与弹性绳5-1两端连接，弹性绳5-1从定滑轮5-2和滑轮组5-3，缠绕重锤支架10-4；

底座1前方放置三维应变变形系统15，三维应变变形系统15包括工业高速相机15-1和三维可调支架15-2，光电传感器11检测到冲击重锤10后触发工业高速相机15-1，工业高速相机15-1观测拉伸试件14-9中间标定区域，完成应变场测量。

本发明的原理及工作过程如下：

试验开始前，钢丝绳3-1将吊钩抓取机构9提升至最高处，冲击重锤10静止于冲击台板4上，弹性绳5-1两端固定在立架6侧面吊环5-2上，并缠绕在重锤支架10-4上，对拉伸试件14-9标定区域喷涂散斑，根据拉伸试件14-9尺寸，选用配套的上夹具14-13和下夹具14-10，分别将上夹具14-13和下夹具14-10螺栓固接在固定接板14-6和下支撑架14-11上，将拉伸试件14-9螺栓固定在上夹具14-13和下夹具14-10之间，调整三维支架15-2，使得工业高速相机15-1观测到拉伸试件14-9标定区域，根据拉伸试件14-9材料特性，确定冲击重锤10总质量和冲击高度，安装一定数量的加载质量块10-2，启动提升卷扬机3，通过钢丝绳3-1将吊钩抓取机构9下降至提升横梁10-1上方，通过电磁阀驱动气缸9-1，完成吊钩9-4对提升横梁10-1的抓取，保持气缸9-1行程不变，驱动提升卷扬机3，提升吊钩抓取机构9和冲击重锤10到冲击高度，再次驱动气缸9-1，吊钩9-4转动，释放冲击重锤10，冲击重锤10被光电传感器11检测到后，触发工业高速相机15-1提前采集应变场数据，冲击重锤10继续向下冲击，锥形冲击器10-3通过冲击台板4中间开设的冲击孔，带动撞击框架14-7沿导柱竖直向下运动，柱式拉力传感器14-3记录力值变化直至拉伸试件14-9断裂，冲击重锤10在限位缓冲装置12的作用下，停止运动，撞击框架14-7在下支撑架14-11的限位作用下，停止运动，取下拉伸试件14-9，完成实验工作。实验完成后对采集到的图像进行图像处理，得到各个时间点上拉伸时间14-9的应变场数据，将应变数据和应力数据通过时间一一对应，从而得到一组材料应力应变数据，进而绘制应力应变曲线。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，包括：

底座(1)，所述底座(1)上安装拉伸装置(14)；

冲击台板(4)，所述冲击台板(4)设置于拉伸装置(14)的上方，冲击台板(4)上安装有限位缓冲装置(12)，中心开设有冲击孔；所述冲击台板(4)的上方设置上顶板(3-2)，冲击台板(4)通过两立架(6)与上顶板(3-2)相连，冲击台板(4)与上顶板(3-2)之间还设置有导轨(7)；所述立架(6)的内侧设置有用于检测提升重锤(10)底部锥形冲击器(10-3)的光电传感器(11)；

限位缓冲装置(12)，所述限位缓冲装置(12)，中心开设有中心孔，所述中心孔与冲击台板(4)的冲击孔的心位于同一轴线上；

拉伸装置(14)，所述拉伸装置(14)包括柱式拉力传感器(14-3)，柱式拉力传感器(14-3)的底部通过夹具安装拉伸试件(14-9)；

吊钩抓取机构(9)，所述吊钩抓取机构(9)安装于导轨(7)上，并通过提升卷扬机(3)驱动沿导轨(7)运动；

提升重锤(10)，所述提升重锤(10)连接在吊钩抓取机构(9)的底部，并安装于导轨(7)上，在吊钩抓取机构(9)的带动下沿导轨(7)运动，使锥形冲击器(10-3)向下冲击撞击撞击框架(14-7)；

三维应变变形系统(15)，所述三维应变变形系统(15)包括三维可调支架(15-2)，以及安装在三维可调支架(15-2)上的工业高速相机(15-1)；光电传感器(11)检测到冲击重锤(10)后触发工业高速相机(15-1)，工业高速相机(15-1)观测拉伸试件(14-9)中间标定区域，完成应变场测量。

2.根据权利要求1所述的材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，所述底座(1)通过四根支柱(2)与冲击台板(4)相连。

3.根据权利要求1所述的材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，所述吊钩抓取机构(9)包括安装板(9-6)，所述安装板(9-6)的顶面安装有驱动气缸(9-1)和第一吊环(9-5)，所述驱动气缸(9-1)的活塞杆向下穿过安装板(9-6)，末端通过关节轴承(9-2)与双耳环滑块(9-3)相连，双耳环滑块(9-3)上安装吊钩(9-4)，通过吊钩(9-4)连接提升重锤(10)；第一吊环(9-5)上连接钢丝绳(3-1)，所述钢丝绳(3-1)绕过定滑轮组(3-2)与提升卷扬机(3)相连，所述定滑轮组(3-2)安装在上顶板(8)上。

4.根据权利要求3所述的材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，所述提升重锤(10)包括提升横梁(10-1)，所述提升横梁(10-1)与吊钩(9-4)相连，底部连接重锤支架(10-4)，所述重锤支架(10-4)内部装设质量块(10-2)，底部安装锥形冲击器(10-3)。

5.根据权利要求1所述的材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，所述限位缓冲装置(12)包括撞击台板(12-5)，所述撞击台板(12-5)通过四根导杆(12-3)安装于冲击台板(4)的上表面，四根导杆(12-3)上均套设有压缩弹簧(12-1)，顶部分别设置阻尼垫(12-4)；中心孔开设于撞击台板(12-5)的中心处；撞击台板(12-5)与冲击台板(4)之间还设置有两个塑料保险杆(12-2)，两个塑料保险杆(12-2)设置于撞击台板(12-5)的前后两端。

6.根据权利要求1所述的材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，所述拉伸装置(14)包括固定底板(14-1)和撞击框架(14-7)，所述固定底板(14-1)上安装有两个导柱支架(14-2)，两个导柱支架(14-2)之间设置固定框架(14-4)；导柱(14-5)的底部与导柱支架(14-2)顶部的横梁固定连接；柱式拉力传感器(14-3)安装于固定框架(14-4)横梁的底部，柱式拉力传感器(14-3)的底部安装有固定接板(14-6)

所述撞击框架(14-7)的顶板四角设置滚珠导套(14-8)，四根导柱(14-5)与滚珠导套(14-8)间隙配合；撞击框架的两侧板(14-12)向下穿过固定框架(14-4)的顶板，两侧板(14-12)底部之间固定连接有下支撑架(14-11)。

7.根据权利要求6所述的材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，所述夹具包括上夹具(14-13)和下夹具(14-10)，所述下夹具(14-10)安装于下支撑架(11)上，上夹具(14-13)安装于固定接板(14-6)的底部；上夹具(14-13)和下夹具(14-10)用于夹紧拉伸试件(14-9)，并露出中间标定区域。

8.根据权利要求4所述的材料中等应变速率拉伸冲击试验台，其特征在于，所述两个立架(6)的外侧分别安装有第二吊环(5-4)和定滑轮(5-2)，冲击台板(4)的底面两侧设置有两组滑轮组(5-3)，弹性绳(5-1)的两端分别连接在立架(6)两侧的第二吊环(5-4)上，且依次绕过一侧定滑轮、第一组滑轮组、重锤支架(10-4)、第二组滑轮组以及另一侧定滑轮。

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