CN113138071B - 一种施加双向压缩载荷的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种施加双向压缩载荷的试验装置，包括试验装置框架、轴向压缩及测力组件、横向压缩组件、试验件组件和上平台及调平组件，其中：试验装置框架为轴向压缩及测力组件和上平台及调平组件提供安装位置，三者形成一个自平衡装置；轴向压缩及测力组件与横向压缩组件分别安装在试验件组件的两个方向上，提供双向压缩载荷；上平台及调平组件安装在试验件组件的上方、试验装置框架的顶部，用来作为可调平的上压缩平台；试验时，通过轴向压缩及测力组件、横向压缩组件中作动筒的伸缩来实现双向载荷的施加。本发明提供的试验装置可以进行结构件级试验件的单向压缩或双向压缩载荷试验，对结构件双向压缩的研究提供试验依据。

Description

一种施加双向压缩载荷的试验装置
技术领域
本发明涉及飞机强度试验领域，具体涉及一种施加双向压缩载荷的试验装置。
背景技术
平直壁板或加筋壁板是飞行器和水面舰艇等结构中典型的受力构件，其中有部分结构处于双向压缩状态，这类结构件在双向压缩载荷下的稳定性和强度是结构力学中非常重要的研究课题，特别对于现代飞行器大多采用的加筋薄壁结构，在压缩载荷下的稳定性和强度的研究尤为重要，因此有必要在实验室中实现这种双向压缩载荷的施加，以便对设计的结构件的稳定性和强度进行验证，也可以为结构优化和改进提供依据。
目前国外比较常用的方法是在标准试验机上采用压台直接压缩，国外进行双向压缩试验选择的试验件均为元件、样件级试件，对于结构件或更大尺寸试件的双向压缩试验装置未见报道；国内现阶段暂未进行过这类结构件的双向压缩加载试验或类似试验。
发明内容
本发明的目的是提供一种施加双向压缩载荷的试验装置，用以满足对平直壁板和加筋壁板的稳定性和材料强度进行试验研究的需求。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种施加双向压缩载荷的试验装置，包括试验装置框架、轴向压缩及测力组件、横向压缩组件、试验件组件和上平台及调平组件，其中：
试验装置框架为轴向压缩及测力组件和上平台及调平组件提供安装位置，三者形成一个自平衡装置；轴向压缩及测力组件与横向压缩组件分别安装在试验件组件的两个方向上，提供双向压缩载荷；上平台及调平组件安装在试验件组件的上方、试验装置框架的顶部，用来作为可调平的上压缩平台；试验时，通过轴向压缩及测力组件、横向压缩组件中作动筒的伸缩来实现双向载荷的施加。
进一步地，所述试验装置框架组件包括底座、并行固定在底座上的多根立柱和位于所述多个立柱顶部的刚架，其中，底座、顶部刚架与立柱之间均通过螺栓及固定卡连接固定。
进一步地，所述轴向压缩及测力组件包括轴向压缩作动筒、载荷传感器、顶盘和支持平台，其中，轴向压缩作动筒、载荷传感器、顶盘之间均通过螺纹依次连接，且同轴设置；支持平台与顶盘通过螺栓连接。
进一步地，所述支持平台为倒梯形结构，其顶面为平面，在进行试验时，所述试验件组件设置在支持平台的顶面上，轴向压缩作动筒置于试验装置框架组件的底座上。
进一步地，所述横向压缩组件包括小立柱、双耳支座、关节轴承、单耳支座、横向压缩作动筒、横向载荷传感器、加载接头、横向滑动加载台、滚轮、滑轨，其中：
所述小立柱的底部固定在轴向压缩及测力组件的支持平台上，双耳支座固定于所述小立柱的侧面上，横向压缩作动筒的底部与双耳支座之间通过单耳支座、关节轴承活动式连接；在横向压缩作动筒的输出端上安装所述横向载荷传感器，横向载荷传感器通过加载接头连接横向滑动加载台；横向滑动加载台的侧面上分布所述滚轮，底部装配在滑轨上，滑轨沿水平方向安装于支持平台的顶面上。
进一步地，所述横向压缩组件还包括一对所述可滑动的工字梁，每个工字梁底部设置一个弹簧座，工字梁放置于支持平台上且对称位于试验件组件的两侧。
进一步地，所述横向压缩组件在轴向压缩及测力组件的支持平台上左右布设一对，所述滑轨在支持平台上上布设一组，该滑轨的左右两侧同时安装一对所述横向压缩组件的横向滑动加载台。
进一步地，所述试验件组件包括下底座、左右简支夹具、上下简支夹具、上底座、左右支座和试验件，其中：
在试验件的左右两侧分别设置有左右简支夹具，在试验件的上侧、下侧分别设置上底座和下底座；左右简支夹具的外侧分别设置左右支座，而上下简支夹具的外侧分别设置上底座和下底座。
进一步地，所述左右支座的外侧面均为平面，分别用于和布设在左右侧的工字梁面接触配合；下底座置于轴向压缩及测力组件的支持平台上，试验件组件的整体高度大于所述横向滑动加载台的高度，在加载时所述上底座与上平台及调平组件的加载端面接触；试验时，所述试验件组件设置在支持平台上的中部位置。
进一步地，所述上平台及调平组件包括上压缩平台、松紧螺套、球形压台以及上基座，其中，上基座固定于试验装置框架组件中顶部刚架的底面中部，球形压台安装于上基座与上压缩平台之间，与上压缩平台之间通过球面配合，以适应上压缩平台在调平时的角度调整；所述松紧螺套在球形压台的两侧对称设置一组或多组，松紧螺套的两端分别通过连接接耳连接在上压缩平台以及顶部刚架上。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
本发明提供的试验装置可以进行结构件级试验件的单向压缩或双向压缩载荷试验，对结构件双向压缩的研究提供试验依据；该装置结构简单，性能可靠，填补了国内双向压缩试验装置的空白，为平直壁板、加筋壁板的稳定性和材料强度相关的试验研究提供保障。
附图说明
图1为本发明试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明试验装置框架组成图；
图3为本发明轴向压缩及测力组件组成图；
图4为本发明横向压缩组件组成图；
图5为本发明试验件组件组成图；
图6为本发明上平台及调平组件组成图。
图中标号说明：1试验装置框架，2轴向压缩及测力组件，3横向压缩组件，4试验件组件，5上平台及调平组件，101底座，102立柱，103顶部刚架，201轴向作动筒，202载荷传感器，203顶盘，204支持平台，301小立柱，302双耳支座，303关节轴承，304单耳支座，305横向压缩作动筒，306横向载荷传感器，307加载接头，308横向滑动加载台，309滚轮，310工字梁，311滑轨，401下底座，402左右边界支持件，403试验件，404上底座，501上压缩平台，502松紧螺套，503球形压台，504上基座。
具体实施方式
参见图1至图6，本发明提供了一种施加双向压缩载荷的试验装置，包括：试验装置框架1、轴向压缩及测力组件2、横向压缩组件3、试验件组件4和上平台及调平组件5，其中：
试验装置框架1为轴向压缩及测力组件2和上平台及调平组件5提供安装位置，三者形成一个自平衡装置；轴向压缩及测力组件2与横向压缩组件3分别安装在试验件组件4的两个方向上，提供双向压缩载荷；上平台及调平组件5安装在试验件组件4的上方、试验装置框架1的顶部，用来作为可调平的上压缩平台；试验时，通过轴向压缩及测力组件2、横向压缩组件3中作动筒的伸缩来实现双向载荷的施加。通过上述技术方案，可实现对试验件组件的双向压缩载荷的试验，并且横向、纵向载荷施加不会相互影响，能有效地提升试验精度。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述试验装置框架组件1包括底座101、并行固定在底座101上的多根立柱102和位于所述多个立柱102顶部的刚架103，其中，底座101、顶部刚架103与立柱102之间均通过螺栓及固定卡连接固定；为了保证结构强度，所述底座101、顶部刚架103分别通过多块钢板焊接而成。在图2的示例中，所述立柱102设置两对，所有立柱102的长度相同，保证顶部钢架103与底座101平行，作为上平台及调平组件5稳定的安装基础。
如图3所示，轴向压缩及测力组件2包括轴向压缩作动筒201、载荷传感器202、顶盘203和支持平台204，其中，轴向压缩作动筒201、载荷传感器202、顶盘203之间均通过螺纹依次连接，且同轴设置；支持平台204与顶盘203通过螺栓连接，这样在轴向压缩作动筒201加压外推时，最后作用在支持平台204上形成向上推力。所述支持平台204为倒梯形结构，其顶面为平面，在进行试验时，所述试验件组件4设置在支持平台204的顶面上，轴向压缩作动筒201置于试验装置框架组件1的底座101上，例如可以放置于底座101的中部。
如图4所示，所述横向压缩组件3包括小立柱301、双耳支座302、关节轴承303、单耳支座304、横向压缩作动筒305、横向载荷传感器306、加载接头307、横向滑动加载台308、滚轮309、工字梁310、滑轨311，其中：
所述小立柱301的底部固定在轴向压缩及测力组件2的支持平台204上，双耳支座302固定于所述小立柱301的侧面上，横向压缩作动筒305的底部与双耳支座302之间通过单耳支座304、关节轴承303活动式连接；在横向压缩作动筒305的输出端上安装所述横向载荷传感器306，横向载荷传感器306通过加载接头304连接横向滑动加载台308；横向滑动加载台308的侧面上分布所述滚轮309，底部装配在滑轨311上，滑轨311沿水平方向安装于支持平台204的顶面上，使得横向滑动加载台308仅能沿滑轨306在水平方向上移动；所述横向压缩组件3还包括一对所述可滑动的工字梁310，每个工字梁310底部设置一个弹簧座，工字梁310放置于支持平台204上且对称位于试验件组件4的两侧。当横向压缩作动筒305加压外伸时，依次通过横向载荷传感器306、加载接头307、横向滑动加载台308、滚轮309产生横向压力，横向压力通过工字梁310传递给试验件组件4，以施加横向载荷；通过滑轨306的设置，可以保证横向滑动加载台308在加载过程中产生的摩擦力非常小；加载过程中，工字梁310和弹簧座在支持平台204上滑动至与试验件组件4接触，弹簧座的设置可以消除摩擦力，使得横向、竖向的加载相互独立。
所述横向压缩组件3左右对称布设，参见图1，在图1的示例中，横向压缩组件3在轴向压缩及测力组件2的支持平台204上左右布设一对，以对称向试验件组件4施加横向压缩载荷；所述滑轨306在支持平台上204上布设一组即可，该滑轨306的左右两侧同时安装一对所述横向压缩组件3的横向滑动加载台305，可以保证两侧横向压缩组件3中横向压缩作动筒302作动时的同轴度，使得载荷施加更加对称均匀。
如图5所示，所述试验件组件4包括下底座401、左右简支夹具(左简支夹具和右简支夹具)402、上下简支夹具(上简支夹具和下简支夹具)403、上底座404、左右支座(左支座和右支座)405和试验件406，其中：
在试验件406的左右两侧分别设置有左右简支夹具402，在试验件403的上侧、下侧分别设置上底座404和下底座401；左右简支夹具402的外侧分别设置左右支座405，而上下简支夹具403的外侧分别设置上底座404和下底座401。其中，所述左右支座405的外侧面均为平面，分别用于和布设在左右侧的工字梁310面接触配合；下底座401置于轴向压缩及测力组件2的支持平台204上，试验件组件4的整体高度大于所述横向滑动加载台305的高度，在加载时所述上底座404与上平台及调平组件5的加载端面接触；试验时，所述试验件组件4设置在支持平台204上的中部位置。
如图6所示，所述上平台及调平组件5包括上压缩平台501、松紧螺套502、球形压台503以及上基座504，其中，上基座504固定于试验装置框架组件1中顶部刚架103的底面中部，球形压台503安装于上基座504与上压缩平台501之间，与上压缩平台501之间通过球面配合，以适应上压缩平台501在调平时的角度调整；所述松紧螺套502在球形压台503的两侧对称设置一组或多组，松紧螺套502的两端分别通过连接接耳连接在上压缩平台501以及顶部刚架103上。通过松紧螺套502的旋转进行其长度调节，继而可调节上压缩平台501的平面度，保证上压缩平台501的底面与试验件组件4中的上底座404面接触。同时，上基座504固定在顶部钢架103的底面中部，可以将载荷有效地分散到立柱102上，使得加载均匀。
本方案可实现横向载荷与竖向载荷独立加载，互不影响；现有设备中没有实现此功能，主要是由于双向压缩加载需求少，技术实现难度大，基本在更高一级试验中验证，此外；摩擦的影响对于不同试验的影响不同，前人在不影响工程使用的前提下可能将其忽略。本方案关键点的设计难度主要体现在如何消除摩擦力的影响，因此设计了关键的横向滑动加载台308、滚轮309、传递载荷的可滑动工字梁310，因此横向加载载荷只有横向压缩作动筒305给出的可控载荷，而不受界面摩擦力的影响。
利用本发明装置进行试验的过程如下：
a.组装试验装置框架1，并进行底座101调平；
b.组装轴向压缩及测力组件2，并使用螺栓固定于试验装置框架1的底座101上；
c.组装上平台及调平组件5并使用螺栓固定于试验装置框架1的顶部；
d.组装2个横向压缩组件3，并分别对称安装在轴向压缩及测力组件2的支持平台204上；
e.组装试验件组件4并放置于支持平台204上。
试验(工作)过程：
首先进行竖向低载调试，与普通的压缩试验过程一致；进行横向低载调试，与单向压缩试验类似，不同的是作动筒的控制方法不同：本试验是通过位移控制作动筒加载，即保证试验件在水平方向的压心不变；进行双向压缩试验，首先控制轴向作动筒到零载，然后控制两个横向压缩作动筒到设定零点，接着按照加载级差同时控制三个作动筒施加双向载荷。
以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，包括试验装置框架(1)、轴向压缩及测力组件(2)、横向压缩组件(3)、试验件组件(4)和上平台及调平组件(5)，其中：
试验装置框架(1)为轴向压缩及测力组件(2)和上平台及调平组件(5)提供安装位置，三者形成一个自平衡装置；轴向压缩及测力组件(2)与横向压缩组件(3)分别安装在试验件组件(4)的两个方向上，提供双向压缩载荷；上平台及调平组件(5)安装在试验件组件(4)的上方、试验装置框架(1)的顶部，用来作为可调平的上压缩平台；试验时，通过轴向压缩及测力组件(2)、横向压缩组件(3)中作动筒的伸缩来实现双向载荷的施加；
所述横向压缩组件(3)包括小立柱(301)、双耳支座(302)、关节轴承(303)、单耳支座(304)、横向压缩作动筒(305)、横向载荷传感器(306)、加载接头(307)、横向滑动加载台(308)、滚轮(309)、滑轨(311)，其中：
所述小立柱(301)的底部固定在轴向压缩及测力组件(2)的支持平台(204)上，双耳支座(302)固定于所述小立柱(301)的侧面上，横向压缩作动筒(305)的底部与双耳支座(302)之间通过单耳支座(304)、关节轴承(303)活动式连接；在横向压缩作动筒(305)的输出端上安装所述横向载荷传感器(306)，横向载荷传感器(306)通过加载接头(307)连接横向滑动加载台(308)；横向滑动加载台(308)的侧面上分布所述滚轮(309)，底部装配在滑轨(311)上，滑轨(311)沿水平方向安装于支持平台(204)的顶面上。
2.根据权利要求1所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述试验装置框架组件(1)包括底座(101)、并行固定在底座(101)上的多根立柱(102)和位于所述多个立柱(102)顶部的刚架(103)，其中，底座(101)、顶部刚架(103)与立柱(102)之间均通过螺栓及固定卡连接固定。
3.根据权利要求1所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述轴向压缩及测力组件(2)包括轴向压缩作动筒(201)、载荷传感器(202)、顶盘(203)和支持平台(204)，其中，轴向压缩作动筒(201)、载荷传感器(202)、顶盘(203)之间均通过螺纹依次连接，且同轴设置；支持平台(204)与顶盘(203)通过螺栓连接。
4.根据权利要求3所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述支持平台(204)为倒梯形结构，其顶面为平面，在进行试验时，所述试验件组件(4)设置在支持平台(204)的顶面上，轴向压缩作动筒(201)置于试验装置框架组件(1)的底座(101)上。
5.根据权利要求1所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述横向压缩组件(3)还包括一对可滑动的工字梁(310)，每个工字梁(310)底部设置一个弹簧座，工字梁(310)放置于支持平台(204)上且对称位于试验件组件(4)的两侧。
6.根据权利要求5所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述横向压缩组件(3)在轴向压缩及测力组件(2)的支持平台(204)上左右布设一对，滑轨(311)在支持平台上(204)上布设一组，该滑轨(311)的左右两侧同时安装一对所述横向压缩组件(3)的横向滑动加载台(305)。
7.根据权利要求6所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述试验件组件(4)包括下底座(401)、左右简支夹具(402)、上下简支夹具(403)、上底座(404)、左右支座(405)和试验件(406)，其中：
在试验件(406)的左右两侧分别设置有左右简支夹具(402)，在试验件(403)的上侧、下侧分别设置上底座(404)和下底座(401)；左右简支夹具(402)的外侧分别设置左右支座(405)，而上下简支夹具(403)的外侧分别设置上底座(404)和下底座(401)。
8.根据权利要求7所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述左右支座(405)的外侧面均为平面，分别用于和布设在试验件组件(4)两侧的工字梁(310)面接触配合；下底座(401)置于轴向压缩及测力组件(2)的支持平台(204)上，试验件组件(4)的整体高度大于所述横向滑动加载台(305)的高度，在加载时所述上底座(404)与上平台及调平组件(5)的加载端面接触；试验时，所述试验件组件(4)设置在支持平台(204)上的中部位置。
9.根据权利要求1所述的施加双向压缩载荷的试验装置，其特征在于，所述上平台及调平组件(5)包括上压缩平台(501)、松紧螺套(502)、球形压台(503)以及上基座(504)，其中，上基座(504)固定于试验装置框架组件(1)中顶部刚架(103)的底面中部，球形压台(503)安装于上基座(504)与上压缩平台(501)之间，与上压缩平台(501)之间通过球面配合，以适应上压缩平台(501)在调平时的角度调整；所述松紧螺套(502)在球形压台(503)的两侧对称设置一组或多组，松紧螺套(502)的两端分别通过连接接耳连接在上压缩平台(501)以及顶部刚架(103)上。
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