CN112881172A - 一种中应变率加载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种中应变率加载装置，涉及动态加载领域，包括立式安装平台和两个对称安装于立式安装平台上的加载机构，加载机构包括安装板、音圈直线电机、连接板、转接板、力传感器、样品夹持组件和弹性组件，安装板固定于立式安装平台的后侧，音圈直线电机竖直固定于安装板前侧，音圈直线电机上设置有光栅尺，光栅尺固定于音圈直线电机底部的两个导轨中间，光栅尺与音圈直线电机的动子贴合，音圈直线电机靠近中部的一端固定有连接板，连接板上依次设置有转接板、力传感器和样品夹持组件，弹性组件的两端分别与连接板和立式安装平台连接。该装置能够进行中应变率加载条件下拉伸、压缩或疲劳加载试验，加载过程均匀，运动过程更加精确可靠。

Description

一种中应变率加载装置
技术领域
本发明涉及动态加载领域，特别是涉及一种中应变率加载装置。
背景技术
实验是研究材料力学性能关系的重要手段。如今，材料种类越来越多，其应用领域也是各种各样，在各种环境下对材料进行加载也是近年来的研究热点，因此设计材料的加载装置显得尤为必要。
材料的性能测试主要受到加载手段的限制，研究材料的动态力学性能需要多种手段。传统的加载方式如准静态拉伸、压缩广泛用于研究材料的低应变率力学行为响应特性(产生的应变率为10-3～10-1S-1)；而分离霍普金森杆技术(Split HopkinsonBarTechnique)广泛用于研究材料的高应变率力学行为响应特性(产生的应变率为200～103S-1)。考虑材料中低应变率1～200S-1变形行为的文献数据是非常有限的。但是在各类工程技术、军事技术和科学研究中，人们也需要介于两者之间的中应变率加载方式。在中应变率加载下，材料的力学响应与低应变率或高应变率加载下会有截然不同的变化。然而，现有加载装置结构复杂、稳定性差、调节精度低、控制精度低，最主要是现有试验装置大多只适用于高、低应变率试验，并不能进行中应变率加载条件下拉伸、压缩或疲劳加载试验的问题，鉴于此，设计一种中应变率加载装置对于科学研究和工程应用都有很大的用处。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种中应变率加载装置，能够进行中应变率加载条件下拉伸、压缩或疲劳加载试验，加载过程均匀，运动过程更加精确可靠。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种中应变率加载装置，包括立式安装平台和两个加载机构，两个所述加载机构对称安装于所述立式安装平台上，一个所述加载机构位于另一个所述加载机构的上方，所述加载机构包括安装板、音圈直线电机、连接板、转接板、力传感器、样品夹持组件和弹性组件，所述安装板固定于所述立式安装平台的后侧，所述音圈直线电机竖直固定于所述安装板前侧，所述音圈直线电机上设置有光栅尺，所述光栅尺固定于所述音圈直线电机底部的两个导轨中间，所述光栅尺与所述音圈直线电机的动子贴合，所述音圈直线电机靠近中部的一端固定有连接板，所述连接板上依次设置有所述转接板、所述力传感器和所述样品夹持组件，所述弹性组件的两端分别与所述连接板和所述立式安装平台连接。
优选地，所述样品夹持组件包括样品夹头、样品压头和两个第一螺钉，所述样品夹头包括夹头水平板和固定于所述夹头水平板一侧中部的夹头竖直板，所述样品压头用于通过所述第一螺钉固定于所述夹头竖直板的一侧。
优选地，还包括四个第二螺钉，所述转接板的两端固定于所述连接板上，各所述第二螺钉依次穿过所述夹头水平板和所述力传感器并固定于所述转接板上。
优选地，所述连接板包括连接水平板和固定于所述连接水平板一侧的连接竖直板，所述连接竖直板固定于所述音圈直线电机上，所述转接板固定于所述连接水平板上，所述弹性组件的一端与所述连接水平板连接。
优选地，所述立式安装平台包括两个安装水平板和两个立柱，各所述立柱的上下两端分别与两个所述安装水平板连接，所述安装板固定于两个所述立柱后侧，所述弹性组件远离所述连接板的一端与所述安装水平板连接。
优选地，所述弹性组件包括两个弹性部件，所述弹性部件包括弹簧和两个弹簧座，两个所述弹簧座分别固定于所述安装水平板和所述连接板上，所述弹簧的两端分别安装于两个所述弹簧座上。
优选地，所述弹簧为可调弹簧或恒力磁弹簧。
优选地，所述力传感器为石英压电力传感器。
优选地，还包括控制器，所述音圈直线电机、所述光栅尺和所述力传感器均与所述控制器连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的中应变率加载装置，音圈直线电机竖直放置，并通过设置弹性组件抵消了大部分的重力影响，使得运动过程更加精确可靠，不抖动，整体结构更加稳定。采用两个音圈直线电机进行双向加载，对比传统加载装置的单侧拉伸(为一端拉伸一端固定的方式)更加稳定均匀，同时增加了加载行程的范围。音圈直线电机与光栅尺搭配，保证了运动精度和控制精度，采用音圈直线电机带动样品夹持组件进行上下方向的往复运动，稳定性好，更加安全，通过精确快速控制音圈直线电机的运动，可以灵活控制样品的加载方式，即可以选择拉伸、压缩及疲劳加载等各种灵活的使用方式。本发明提供的中应变率加载装置弥补了介于低应变率准静态加载和高应变率霍普金森杆加载之间的中应变率加载方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明提供的中应变率加载装置的立体结构示意图；
图2为本发明提供的中应变率加载装置的主视图；
图3为本发明提供的中应变率加载装置的左视图；
图4为本发明提供的中应变率加载装置的音圈直线电机的结构示意图；
图5为本发明提供的中应变率加载装置的光栅尺的安装示意图；
图6为本发明提供的中应变率加载装置的连接板、转接板、力传感器和样品夹持组件的主视图；
图7为本发明提供的中应变率加载装置的连接板、转接板、力传感器和样品夹持组件的左视图。
附图标记说明：100、中应变率加载装置；1、立式安装平台；101、安装水平板；102、立柱；2、安装板；3、音圈直线电机；4、连接板；401、连接水平板；402、连接竖直板；5、转接板；6、力传感器；7、样品夹头；701、夹头水平板；702、夹头竖直板；8、样品压头；9、可调弹簧；10、弹簧座；11、第一螺钉；12、第二螺钉；13、光栅尺；14、样品。
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。
本发明的目的是提供一种中应变率加载装置，能够进行中应变率加载条件下拉伸、压缩或疲劳加载试验，加载过程均匀，运动过程更加精确可靠。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图5所示，本实施例提供一种中应变率加载装置100，包括立式安装平台1和两个加载机构，两个加载机构对称安装于立式安装平台1上，一个加载机构位于另一个加载机构的上方，加载机构包括安装板2、音圈直线电机3、连接板4、转接板5、力传感器6、样品夹持组件和弹性组件，安装板2固定于立式安装平台1的后侧，音圈直线电机3竖直固定于安装板2前侧，使得运动轨迹为竖直方向上的直线运动，具体地，安装板2通过螺钉与立式安装平台1固定，音圈直线电机3也通过螺钉与安装板2固定。音圈直线电机3上设置有光栅尺13，光栅尺13固定于音圈直线电机3底部的两个导轨中间，光栅尺13与音圈直线电机3的动子贴合，音圈直线电机3靠近中部的一端固定有连接板4，连接板4上依次设置有转接板5、力传感器6和样品夹持组件，两个样品夹持组件用于夹持样品14，弹性组件的两端分别与连接板4和立式安装平台1连接。
本实施例中音圈直线电机3竖直放置，并通过设置弹性组件抵消了大部分的重力影响，使得运动过程更加精确可靠，不抖动，整体结构更加稳定。采用两个音圈直线电机3进行双向加载，对比传统加载装置的单侧拉伸(为一端拉伸一端固定的方式)更加稳定均匀，同时增加了加载行程的范围。音圈直线电机3与光栅尺13搭配，保证了运动精度和控制精度，采用音圈直线电机3带动样品夹持组件进行上下方向的往复运动，稳定性好，更加安全，通过精确快速控制音圈直线电机3的运动，可以灵活控制样品14的加载方式，即可以选择拉伸、压缩及疲劳加载等各种灵活的使用方式。本实施例中提供的中应变率加载装置100弥补了介于低应变率准静态加载和高应变率霍普金森杆加载之间的中应变率加载方式。
如图6和图7所示，样品夹持组件包括样品夹头7、样品压头8和两个第一螺钉11，样品夹头7包括夹头水平板701和固定于夹头水平板701一侧中部的夹头竖直板701，样品压头8用于通过第一螺钉11固定于夹头竖直板701的一侧。安装样品14时，先将其放置于夹头竖直板701一侧，样品14的上下两部分分别与两个夹头竖直板701相接触，再在样品14远离夹头竖直板701的一侧放置样品压头8，通过两个第一螺钉11拧紧压实将样品压头8与夹头竖直板701固定，完成对样品14的夹持，之后通过调整音圈直线电机3，可以选择拉伸、压缩及疲劳加载等各种灵活的使用方式，进一步地，通过力传感器6和光栅尺13相配合使得加载更精确。
本实施例中还包括控制器，音圈直线电机3、光栅尺13和力传感器6均与控制器连接。通过设置光栅尺13可以在高速下实现优于1微米的位置控制精度。本实施例中的中应变率加载装置100工作时，控制器可以控制音圈直线电机3迅速上下移动，并带动样品夹持组件和样品14迅速上下移动，以此对材料进行动态加载。控制器可以通过调整音圈直线电机3的运动速度或运动方式来控制加载方式。具体地，音圈直线电机3通过专门的控制器可以设定电机控制的电流环、位置环和速度环，稳定性高，优化参数方便，运行时振动小，音圈直线电机3可以通过控制器或上位机改变加载的参数。
本实施例中还包括四个第二螺钉12，转接板5的两端固定于连接板4上，各第二螺钉12依次穿过夹头水平板701和力传感器6并固定于转接板5上，即上下两个零件通过第二螺钉12与力传感器6连接，力传感器6上下两端受力，从而获得压力电信号，进而测得加载时样品14的受力。
连接板4包括连接水平板401和固定于连接水平板401一侧的连接竖直板402，连接竖直板402通过三个螺钉固定于音圈直线电机3上，转接板5通过两个螺钉固定于连接水平板401上，弹性组件的一端与连接水平板401连接。
立式安装平台1包括两个安装水平板101和两个立柱102，各立柱102的上下两端分别与两个安装水平板101连接，安装板2固定于两个立柱102后侧，弹性组件远离连接板4的一端与安装水平板101连接。
弹性组件包括两个弹性部件，弹性部件包括弹簧和两个弹簧座10，两个弹簧座10分别固定于安装水平板101和连接板4上，弹簧的两端分别安装于两个弹簧座10上。在本实施例中的中应变率加载装置100工作时，下面的弹簧一直处于压缩状态，上面的弹簧一直处于拉伸状态，这样可以持续对转接板5施加方向向上的弹力，以此达到抵消样品夹持组件、连接板4、转接板5以及音圈直线电机3的动子的大部分重力的目的。
具体地，弹簧为可调弹簧9或恒力磁弹簧。于本具体实施例中，采用可调弹簧9。
于另一实施例中，采用恒力磁弹簧，恒力磁弹簧与传统机械弹簧不同，可以在整个行程范围内提供恒定的推力或者拉力，采用创新型的磁路设计，通过磁场来实现重力的补偿和抵消，且结构简单，仅仅包含定子和动子两个组件；属于完全无源器件，不需任何外部能量供应，比如液压、气压、电源等，即可实现恒力输出。在对系统安全系数要求高、需要恒定推力或者恒定拉伸等使用场合是最理想选择，包括需要平稳拉伸和回收，平衡机构应用，拉伸负载应用，重力补偿和抵消，垂直保持。
于本具体实施例中，力传感器6为石英压电力传感器。石英压电力传感器可以用于测量动态、短期静态的振动与冲击力，机械结构的拉伸以及压缩力。石英压电力传感器是利用石英晶体的压电效应，把力转换成电荷的换能器，传感器产生的电荷正比于被测外力，通过电荷放大器再把电荷按比例转换成电压，用电压表或者是其他显示器读出其大小以及变化。因为石英的刚性很高，力作用下的位移很小，一般就是在几微米内，这种几乎无位移的测量，对于中应变率加载过程来说误差很小。对于快速过程的测量，因为石英的高刚度以及与之关联的高固有频率，其优越性是其他测量方法无法比拟的。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种中应变率加载装置，其特征在于，包括立式安装平台和两个加载机构，两个所述加载机构对称安装于所述立式安装平台上，一个所述加载机构位于另一个所述加载机构的上方，所述加载机构包括安装板、音圈直线电机、连接板、转接板、力传感器、样品夹持组件和弹性组件，所述安装板固定于所述立式安装平台的后侧，所述音圈直线电机竖直固定于所述安装板前侧，所述音圈直线电机上设置有光栅尺，所述光栅尺固定于所述音圈直线电机底部的两个导轨中间，所述光栅尺与所述音圈直线电机的动子贴合，所述音圈直线电机靠近中部的一端固定有连接板，所述连接板上依次设置有所述转接板、所述力传感器和所述样品夹持组件，所述弹性组件的两端分别与所述连接板和所述立式安装平台连接。
2.根据权利要求1所述的中应变率加载装置，其特征在于，所述样品夹持组件包括样品夹头、样品压头和两个第一螺钉，所述样品夹头包括夹头水平板和固定于所述夹头水平板一侧中部的夹头竖直板，所述样品压头用于通过所述第一螺钉固定于所述夹头竖直板的一侧。
3.根据权利要求2所述的中应变率加载装置，其特征在于，还包括四个第二螺钉，所述转接板的两端固定于所述连接板上，各所述第二螺钉依次穿过所述夹头水平板和所述力传感器并固定于所述转接板上。
4.根据权利要求3所述的中应变率加载装置，其特征在于，所述连接板包括连接水平板和固定于所述连接水平板一侧的连接竖直板，所述连接竖直板固定于所述音圈直线电机上，所述转接板固定于所述连接水平板上，所述弹性组件的一端与所述连接水平板连接。
5.根据权利要求1所述的中应变率加载装置，其特征在于，所述立式安装平台包括两个安装水平板和两个立柱，各所述立柱的上下两端分别与两个所述安装水平板连接，所述安装板固定于两个所述立柱后侧，所述弹性组件远离所述连接板的一端与所述安装水平板连接。
6.根据权利要求1所述的中应变率加载装置，其特征在于，所述弹性组件包括两个弹性部件，所述弹性部件包括弹簧和两个弹簧座，两个所述弹簧座分别固定于所述安装水平板和所述连接板上，所述弹簧的两端分别安装于两个所述弹簧座上。
7.根据权利要求6所述的中应变率加载装置，其特征在于，所述弹簧为可调弹簧或恒力磁弹簧。
8.根据权利要求1所述的中应变率加载装置，其特征在于，所述力传感器为石英压电力传感器。
9.根据权利要求1所述的中应变率加载装置，其特征在于，还包括控制器，所述音圈直线电机、所述光栅尺和所述力传感器均与所述控制器连接。
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