CN113155604B - 一种便携多功能单柱力学性能测试机及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携多功能单柱力学性能测试机及测试方法，包括底座、立柱、横梁、升降加载箱和可拆卸多功能夹具组件；升降加载箱安装在横梁底部，升降加载箱的底部设置有力传感器；可拆卸多功能夹具组件包括拉压工具组、测弯工具组和剪切工具组；拉压工具组包括至少两个钳式夹具；测弯工具组包括单点锥形加载头、均布锥形加载头和地面支撑；剪切工具组包括至少三个剪切夹具，每个剪切夹具均包括固定钳、竖直连接板和滑动夹钳。本发明能折叠收纳，便于携带，且集抗拉/抗压/抗弯/抗剪/测试于一体，能大幅度调节，适应不同尺寸杆件与超薄板的力学性能测试，制作经济，操作简单，试验数据可靠。

Description

一种便携多功能单柱力学性能测试机及测试方法
技术领域
本发明涉及土木工程/机械工程领域，特别是一种便携多功能单柱力学性能测试机及测试方法。
背景技术
在土木工程领域的结构设计中，当手工制作模型能满足设计工况的情况下，也即保证安全性的同时，模型的自重与材料使用量往往成了大家相互竞争角逐的焦点，因为，模型自重轻以及材料使用量少，则意味着经济性高，具有更高的使用推广价值。
申请人通过总结以往的结构设计经验和现阶段模型的加载情况，发现：局部构件与原材料对模型结构整体受力和自重减轻方面起着至关重要的作用。局部构件性能过弱则会带来安全问题，性能过强又会带来经济上的损失，如何在这两者之间找到一个相对平衡点，往往需要我们对局部构件的力学性能有充分的认知。而局部构件的力学性能主要在抗压/抗拉/抗弯/抗剪等方面，但由于复杂荷载作用下构件变形的复杂性和多变性，通常需要从理论和试验两方面来测试不同构件的力学性能。
另外，为节约成本和重复利用考虑，现有手工制作模型，大多采用竹木材料制成。然而，不同地区客观环境，对竹木原材料的质量与实际制作构件性能有较大影响。
进一步，现有手工制作模型所使用的竹木杆件的截面形状和长度，有着较大变化，因而，亟需开发一台测试机，能使其完成所有截面形状和长度的力学性能测试。另外，测试机需要携带至手工制作现场或实验现场进行测试，故而还需要满足便携性的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种便携多功能单柱力学性能测试机及测试方法，该便携多功能单柱力学性能测试机及测试方法能够研究各种形状规格型号的局部构件的力学性能，进而在保证力学性能的同时，便于降低模型自重及减少材料用量，降低成本。另外，测试机便于携带，功能多样。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种便携多功能单柱力学性能测试机，包括底座、立柱、横梁、升降加载箱和可拆卸多功能夹具组件。
横梁位于底座的正上方，并通过立柱与底座相连接。
升降加载箱安装在横梁底部，升降加载箱的底部设置有力传感器。
位于升降加载箱正下方的底座顶面设置有至少三个夹具安装孔。
可拆卸多功能夹具组件包括拉压工具组、测弯工具组和剪切工具组。
拉压工具组包括至少两个钳式夹具。
每个钳式夹具均包括U型支座、左夹钳和右夹钳。U型支座的底面中心设有通用接口，每个通用接口均能与力传感器的输出端接口或任意一个夹具安装孔可拆卸连接。左夹钳和右夹钳均滑动安装在U型支座的U型腔底面，且能沿U型腔底面左右往复滑移并锁紧。
测弯工具组包括单点锥形加载头、均布锥形加载头和地面支撑。
地面支撑放置在位于升降加载箱两侧的底座顶面或支撑平台上，两个地面支撑的顶面为球面，且位于同一水平高度。
单点锥形加载头和均布锥形加载头的顶端面中心均具有所述通用接口。其中，单点锥形加载头的底面为能与梁杆件横截面相配合的点加载面。均布锥形加载头的底面为能与板材横截面相配合的直线加载面。
剪切工具组包括至少三个剪切夹具，每个剪切夹具均包括固定钳、竖直连接板和滑动夹钳。
固定钳的底面中心设置有所述通用接口。
竖直连接板竖向设置，其底端安装在固定钳的一条侧边上。
滑动夹钳位于固定钳的正上方，且滑动安装在竖直连接板上，并能沿竖直连接板进行竖直方向的往复滑移并锁紧。
可拆卸多功能夹具组件还包括薄膜类测拉夹具，薄膜类测拉夹具包括两个薄膜夹钳，每个薄膜夹钳均包括右固定弹性夹钳、左活动弹性夹钳、底板和夹紧驱动机构。底板安装在右固定弹性夹钳的底部内侧壁，在底板的底面中心设置有所述通用接口。左活动弹性夹钳能在夹紧驱动机构的驱动下，其顶端与右固定弹性夹钳顶端弹性夹紧配合，形成薄膜夹持部。
拉压工具组包括六个钳式夹具。其中两个钳式夹具用于测试两端张紧夹持下的拉抗性能，称为拉压钳式夹具。剩余四个钳式夹具中的两个，其U型支座、左夹钳和右夹钳的顶面均为光滑平面，用于测试两端铰接下的受压性能，称为受压钳式夹具。剩余两个钳式夹具，其U型支座、左夹钳和右夹钳的顶面均为光滑球面，用于测试两端铰接下的受弯性能，称为受弯钳式夹具。
每个钳式夹具中U型支座的底面侧壁上设置有沿左右方向的对中刻度尺。
左夹钳和右夹钳相向一侧的中心处设置有开口相对的V型槽。固定钳和滑动夹钳相向一侧的中心处也设置有开口相对的V型槽。
底座包括相互铰接的若干块可折叠底板，立柱包括若干根立柱节段，相邻两根立柱节段之间为可拆卸连接。
力传感器底部设置有激光发射器。
一种便携多功能单柱力学性能测试方法，通过更换便携多功能单柱力学性能测试机中的可拆卸多功能夹具组件，能够实现构件的抗拉、抗压、抗弯以及抗剪切测试。具体为：采用拉压工具组，能实现拉压测试。采用测弯工具组能实现抗弯测试。采用剪切工具组则能实现抗剪切测试。其中，拉压测试包括两端张紧夹持下的拉压测试、两端铰接下的受压测试和两端铰接下的受弯测试。
两端张紧夹持下的拉压测试，包括如下步骤：
步骤11、将拉压工具组中一个拉压钳式夹具的通用接口安装在可拆卸式力传感器的输出接口处，将另一个拉压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中。
步骤12、将待测抗拉构件的顶端夹紧安装在位于顶端的拉压钳式夹具中，将待测抗拉构件的底端夹紧安装在位于底端的拉压钳式夹具中。
步骤13、升降加载箱中的加载杆向上移动，使得待测抗拉构件实现两端张紧夹持下的拉抗测试。升降加载箱中的加载杆继续向上移动，直至抗拉构件受拉破坏，力传感器读取受拉破坏时的拉力值即为抗拉构件的抗拉值。
步骤14、移除受拉破坏的抗拉构件，将待测抗压构件的顶端夹紧安装在位于顶端的拉压钳式夹具中，将待测抗压构件的底端夹紧安装在位于底端的拉压钳式夹具中。
步骤15、升降加载箱中的加载杆向下移动，使得待测抗压构件实现两端张紧夹持下的抗压测试。升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至抗压构件受压破坏，力传感器读取受压破坏时的压力值即为抗压构件的抗压值。
其中，两端铰接下的受压测试，包括如下步骤：
步骤21、将拉压工具组中一个受压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另一个受压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中。
步骤22、将待测受压构件的顶端夹紧安装在位于顶端的受压钳式夹具中，将待测受压构件的底端夹紧安装在位于底端的受压钳式夹具中。
步骤23、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测受压构件与受压钳式夹具的光滑平面滑动接触，无水平方向约束，两者间类似铰接，因而能使待测受压构件实现两端铰接下的受压测试。升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至受压构件受压破坏，力传感器读取受压破坏时的压力值即为受压构件的受压值。
其中，两端铰接下的受弯测试，包括如下步骤：
步骤31、将拉压工具组中一个受弯钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另一个受弯钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中。
步骤32、将待测受弯构件的顶端夹紧安装在位于顶端的受弯钳式夹具中，将待测受弯构件的底端夹紧安装在位于底端的受弯钳式夹具中。
步骤33、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测受弯构件与受弯钳式夹具的光滑球面滑动接触，在无水平方向约束的同时，且能绕光滑球面自由转动，待测受弯构件与两个受弯钳式夹具间将类似两端铰接简支梁，因而能使待测受压构件实现两端铰接下的受弯测试。升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至受弯构件受弯破坏，力传感器读取受弯破坏时的压力值即为受弯构件的受弯值。
其中，抗弯测试，包括如下步骤：
步骤41、根据待测构件的类型，选择所需要的锥形加载头。当待测构件为梁杆件时，选择单点锥形加载头，当待测构件为板材时，选择均布锥形加载头。
步骤42、将选择的锥形加载头的通用接头可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将地面支撑放置在位于升降加载箱两侧的底座顶面或支撑平台上，并使两个地面支撑的顶部球面位于同一水平高度。
步骤43、将待测构件放置在两个地面支撑的顶部球面上，锥形加载头高度下降，锥形加载头的点加载面或直线加载面与待测构件的中心横截面相贴合。
步骤44、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测构件向下弯曲，随着加载杆继续向下移动，直至待测构件受弯破坏，力传感器读取受弯破坏时的压力值即为待测构件的抗弯值。
其中，抗剪切测试，包括如下步骤：
步骤51、将其中一个剪切夹具的通用接头可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另外两个剪切夹具的通用接头可拆卸式安装在位于力传感器两侧的夹具安装孔中。
步骤52、将待测构件放置在三个剪切夹具的夹紧槽中，升降加载箱中的加载杆向上移动，与力传感器相连接的剪切夹具携带位于中部的待测构件向上移动，随着加载杆继续向上移动，直至待测构件受剪切破坏，力传感器读取受剪切破坏时的压力值即为待测构件的抗剪切值。
步骤12中，待测抗拉构件为矩形、圆形或H型。在拉压钳式夹具的U型支座的底面侧壁上设置沿左右方向的对中刻度尺，通过调节左夹钳和右夹钳在U型支座的U型腔底部的滑移位置，进而实现待测抗拉构件的对心夹取或偏心夹取。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明能够研究各种形状规格型号的局部构件的力学性能，使得局部构件处于最佳平衡点，进而在保证力学性能的同时，便于降低模型自重及减少材料用量，降低成本。
2、测试机的底座采用可拆卸底板，立柱采用若干根立柱节段，从而使得测试机的大部分构件实现模块化设计，便于携带、维修、储存等。
3、通过更换便携多功能单柱力学性能测试机中的可拆卸多功能夹具组件，能够实现构件的抗拉、抗压、抗弯以及抗剪切测试，也即使得测试机集抗压/抗拉/抗弯/抗剪等测试功能于一体，可根据实际测试需求快速替换工具模组，也可根据不同小尺寸构件的尺寸变化实现简单快捷的多重调节，单人即可操作需求效，能直观的得到各小尺寸局部构件的力学性能数据。
附图说明
图1为本发明便携多功能单柱力学性能测试机不含可拆卸多功能夹具组件时的结构图。
图2显示了本发明中升降加载箱的剖面结构示意图。
图3显示了本发明中钳式夹具的结构示意图。
图4显示了本发明中钳式夹具夹取待测构件时的示意图；其中，图4a显示了钳式夹具对心夹取圆形截面待测构件的示意图；图4b显示了钳式夹具对心夹取矩形截面待测构件的示意图；图4c显示了钳式夹具偏心夹取矩形截面待测构件的示意图；
图5显示了本发明中锥形加载头的示意图；图5a显示了单点锥形加载头的示意图；图5b显示了均布锥形加载头的示意图；
图6显示了测弯工具组中地面支撑的示意图。
图7显示了剪切夹具的结构示意图。
图8显示了剪切夹具夹持待测构件的示意图；其中，图8a显示了剪切夹具夹持前的示意图；图8b显示了剪切夹具夹取矩形截面待测构件的示意图；图8c显示了剪切夹具夹取圆形截面待测构件的示意图；图8d显示了剪切夹具夹取H形截面待测构件的示意图；
图9显示了薄膜类测拉夹具的结构示意图。
图10显示了薄膜类测拉夹具装夹待测薄膜构件的过程示意图；其中，图10a显示了薄膜类测拉夹具正在装夹待测薄膜构件的示意图；图10b显示了薄膜类测拉夹将待测薄膜构件装夹完成后的示意图；
图11显示了抗拉测试的过程示意图；其中，图11a显示了抗拉过程示意图；图11b显示了待测构件受拉破坏的示意图；
图12显示了抗压测试的过程示意图；其中，图12a显示了抗压过程示意图；图12b显示了待测构件受压失稳破坏时的示意图；
图13显示了抗弯测试的过程示意图；其中，图13a显示了抗弯过程示意图；图13b显示了待测构件受弯破坏时的示意图；
图14显示了抗剪切测试的过程示意图；其中，图14a显示了抗剪切过程示意图；图14b显示了待测构件受剪切破坏时的示意图。
其中有：
10.底座；11.可折叠底板；12.夹具安装孔；13.脚垫；14.可展侧向支撑；
20.立柱；
30.横梁；31.支撑腹板；
40.升降加载箱；
41.外壳；42.手轮；43.滚珠丝杆螺杆；44.滚珠丝杆螺母；45.传力架；46.力传感器；
50.钳式夹具；
51.U型支座；511.限位滑轨；512.通用接口；513.对中刻度尺；
52.左夹钳；521.V型槽；522.辅助橡胶圈；
53.右夹钳；531.螺纹杆；532.限位螺母；533.把手；
61.单点锥形加载头；611.通用接口；612.点加载面；
62.均布锥形加载头；621.通用接口；622.直线加载面；623.圆弧倒角；
63.地面支撑；631.接地面；632.球面；
70.剪切夹具；
71.固定钳；711.通用接口；712.条纹磨面；713.V型槽；
72.竖直连接板；721.竖直滑轨；
73.滑动夹钳；731.滑动螺杆；732.限位螺母；
80.通用接口；82.固定弹性夹钳；821.辅助橡胶圈；83.左活动弹性夹钳；84.螺杆；85.把手；86.限位螺母；
90.待测构件；100.待测薄膜构件。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种便携多功能单柱力学性能测试机，包括底座10、立柱20、横梁30、升降加载箱40和可拆卸多功能夹具组件。
本发明的测试件，在材料的选取上，考虑到经济性，大部分加工零件可选取1mm厚Q235钢板切割焊接而成，或者是采用铝合金切割加工。整个测试机方便拆卸叠，折叠后的尺寸范围在200mm*250mm*400mm以内，重量约为3kg。若采用较轻质的高强度铝合金，则自重会进一步降低，更加易于携带使用
本发明中，底座能够折叠，优选包括相互铰接的若干块可折叠底板11，优选为两块。每块可折叠底板的两侧均优选通过转轴连接有可展侧向支撑14，可展侧向支撑正常能够收纳在对应的可折叠底板内，使用时，能够向外侧展开，并支撑在底面，用于加大待测构件的支撑，从而增强整体的稳定性。
在底座的底面上优选设置有若干个高度能够调节的脚垫13，搭配底板水平仪以适应不平地面。同时，脚垫质量较大，越能降低整体重心，进一步提高装置稳定性。
横梁位于底座的正上方，并通过立柱与底座相连接；立柱优选包括若干根立柱节段，相邻两根立柱节段之间为可拆卸连接。立柱与横梁之间还优选通过支撑腹板31相连接。
升降加载箱安装在横梁底部，如图2所示，包括外壳41、升降驱动装置、传力架45和力传感器46。
升降驱动装置包括手轮42、滚珠丝杆螺杆43和滚珠丝杆螺母44。
滚珠丝杆的顶端与外壳转动连接且从外壳顶部伸出，滚珠丝杆的顶部伸出端与手轮(优选单手手轮)相连接，滚珠丝杆的底端优选传动连接在外壳底壁上。滚珠丝杆螺母套设在滚珠丝杆的中部，传力架的顶端与滚珠丝杆螺母相连接，传力架的底端穿出外壳底部。
力传感器安装在传力架的底部中心，且外接数字显示器。进一步，力传感器底部还优选设置有激光发射器，便于对心调节。
工作时，通过旋转手轮，实现滚珠丝杆螺母沿滚珠丝杆的上下移动，滚珠丝杆螺母在外壳内的竖直移动距离优选在0—150mm范围内，从而对待测构件90施加荷载。
位于升降加载箱正下方的底座顶面设置有至少三个夹具安装孔12，本申请中优选为三个，其中，位于正中间的夹具安装孔与位于力传感器的正下方。
可拆卸多功能夹具组件包括拉压工具组、测弯工具组、剪切工具组和薄膜类测拉夹具。
拉压工具组包括至少两个钳式夹具50。
如图3所示，每个钳式夹具均包括U型支座51、左夹钳52和右夹钳53。
U型支座的顶面设置有沿自身U型腔长度方向的限位滑轨511，U型支座的底面中心设有通用接口512，每个通用接口均能与力传感器的输出端接口或任意一个夹具安装孔可拆卸连接。
左夹钳和右夹钳均滑动安装在U型支座的限位滑轨上，且能沿限位滑轨左右往复滑移并锁紧。优选锁紧方式为：左夹钳和右夹钳的外侧端优选各连接一根螺纹杆531，螺纹杆分别从对应U型支座的侧腿穿出，并各连接一个把手533；位于U型支座的侧腿外侧的螺纹杆上各套装一个限位螺母532。通过转动把手，实现左夹钳和右夹钳的左右滑移，通过旋转限位螺母，实现左夹钳和右夹钳滑移位置的锁紧。由于左夹钳和右夹钳的左右滑移，使得本申请的钳式夹具能实现对待测构件的对心夹取以及偏心夹取，夹取方式如图4所示。
进一步，每个钳式夹具中U型支座的底面侧壁上设置有沿左右方向的对中刻度尺513，便于查看左夹钳和右夹钳的滑移位置。
进一步，左夹钳和右夹钳相向一侧的中心处优选设置有开口相对的V型槽521。V型槽的设置，如图4所示，使得本申请的钳式夹具能适用于圆形、矩形、多边形等形状的待测构件的装夹。
进一步，位于V型槽两侧的左夹钳和右夹钳内侧面均优选设置有辅助橡胶圈522，能用于增加夹紧摩擦力。
本实施例中，拉压工具组优选包括六个钳式夹具。其中两个钳式夹具用于测试两端张紧夹持下的拉抗性能，称为拉压钳式夹具。剩余四个钳式夹具中的两个，其U型支座、左夹钳和右夹钳的顶面均为光滑平面，用于测试两端铰接下的受压性能，称为受压钳式夹具。剩余两个钳式夹具，其U型支座、左夹钳和右夹钳的顶面均为光滑球面，用于测试两端铰接下的受弯性能，称为受弯钳式夹具。
测弯工具组包括单点锥形加载头61、均布锥形加载头62和地面支撑63。
如图5所示，单点锥形加载头的顶端面中心均具有通用接口611，单点锥形加载头的底面为能与梁杆件横截面相配合的点加载面612。均布锥形加载头的顶端面中心具有通用接口621，均布锥形加载头的底面为能与板材横截面相配合的直线加载面622，直线加载面与均布锥形加载头的连接拐角处优选设置有圆弧倒角623。
如图6所示，地面支撑放置在位于升降加载箱两侧的底座顶面或支撑平台上，形成为接地面631，两个地面支撑的顶面为球面632，且位于同一水平高度。
剪切工具组包括至少三个剪切夹具70，优选为三个。
如图7所示，每个剪切夹具均包括固定钳71、竖直连接板72和滑动夹钳73。
固定钳的底面中心设置有所述通用接口711。
竖直连接板竖向设置，其底端安装在固定钳的一条侧边上，优选与固定钳一体设置，形成L型结构。竖直连接板上优选设置有两条竖直滑轨721。
滑动夹钳位于固定钳的正上方，且滑动安装在竖直连接板上，并能沿竖直连接板上的竖直滑轨进行竖直方向的往复滑移并锁紧。优选锁紧方式为：滑动夹钳的外侧端优选连接一根或两根滑动螺杆731，每根滑动螺杆的外侧各套装一个限位螺母732，通过旋转限位螺母，实现滑动夹钳滑移位置的锁紧。
进一步，固定钳和滑动夹钳相向一侧的中心处也设置有开口相对的V型槽713。
进一步，位于V型槽两侧的固定钳和滑动夹钳内侧面均优选设置有条纹磨面712，能用于增加夹紧摩擦力。
薄膜类测拉夹具均包括两个薄膜夹钳，如图9所示，每个薄膜夹钳80均包括右固定弹性夹钳82、左活动弹性夹钳83、底板和夹紧驱动机构。底板安装在右固定弹性夹钳的底部内侧壁，在底板的底面中心设置有通用接口81。左活动弹性夹钳能在夹紧驱动机构的驱动下，其顶端与右固定弹性夹钳顶端弹性夹紧配合，形成薄膜夹持部，夹持过程如图10所示。
夹紧驱动机构优选为螺杆84、限位螺母86和把手85。螺杆的一端安装把手，螺杆的另一端依次从右固定弹性夹钳82、左活动弹性夹钳83的底部伸出后，外侧套装一个限位螺母。
位于包膜夹持部的左活动弹性夹钳和右固定弹性夹钳内侧面均设置有辅助橡胶圈821，能用于增加夹紧摩擦力。
一种便携多功能单柱力学性能测试方法，通过更换便携多功能单柱力学性能测试机中的可拆卸多功能夹具组件，能够实现构件的抗拉、抗压、抗弯以及抗剪切测试。具体为：采用拉压工具组，能实现拉压测试。采用测弯工具组能实现抗弯测试。采用剪切工具组则能实现抗剪切测试。其中，拉压测试包括两端张紧夹持下的拉压测试、两端铰接下的受压测试和两端铰接下的受弯测试。
两端张紧夹持下的拉压测试，包括如下步骤：
步骤11、将拉压工具组中一个拉压钳式夹具的通用接口安装在可拆卸式力传感器的输出接口处，将另一个拉压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中。
步骤12、将待测抗拉构件的顶端夹紧安装在位于顶端的拉压钳式夹具中，将待测抗拉构件的底端夹紧安装在位于底端的拉压钳式夹具中。装夹过程如图11所示。
步骤13、升降加载箱中的加载杆向上移动，使得待测抗拉构件实现两端张紧夹持下的拉抗测试。升降加载箱中的加载杆继续向上移动，直至抗拉构件受拉破坏，力传感器读取受拉破坏时的拉力值即为抗拉构件的抗拉值。
步骤14、移除受拉破坏的抗拉构件，将待测抗压构件的顶端夹紧安装在位于顶端的拉压钳式夹具中，将待测抗压构件的底端夹紧安装在位于底端的拉压钳式夹具中。
步骤15、升降加载箱中的加载杆向下移动，使得待测抗压构件实现两端张紧夹持下的抗压测试。升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至抗压构件受压破坏，力传感器读取受压破坏时的压力值即为抗压构件的抗压值。
其中，两端铰接下的受压测试，包括如下步骤：
步骤21、将拉压工具组中一个受压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另一个受压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中。
步骤22、将待测受压构件的顶端夹紧安装在位于顶端的受压钳式夹具中，将待测受压构件的底端夹紧安装在位于底端的受压钳式夹具中。
步骤23、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测受压构件与受压钳式夹具的光滑平面滑动接触，无水平方向约束，两者间类似铰接，因而能使待测受压构件实现两端铰接下的受压测试。升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至受压构件受压破坏，力传感器读取受压破坏时的压力值即为受压构件的受压值，受压过程如图12所示。
其中，两端铰接下的受弯测试，包括如下步骤：
步骤31、将拉压工具组中一个受弯钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另一个受弯钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中。
步骤32、将待测受弯构件的顶端夹紧安装在位于顶端的受弯钳式夹具中，将待测受弯构件的底端夹紧安装在位于底端的受弯钳式夹具中。
步骤33、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测受弯构件与受弯钳式夹具的光滑球面滑动接触，在无水平方向约束的同时，且能绕光滑球面自由转动，待测受弯构件与两个受弯钳式夹具间将类似两端铰接简支梁，因而能使待测受压构件实现两端铰接下的受弯测试。升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至受弯构件受弯破坏，力传感器读取受弯破坏时的压力值即为受弯构件的受弯值。
其中，抗弯测试，如图13所示，包括如下步骤。
步骤41、根据待测构件的类型，选择所需要的锥形加载头。当待测构件为梁杆件时，选择单点锥形加载头，当待测构件为板材时，选择均布锥形加载头。
步骤42、将选择的锥形加载头的通用接头可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将地面支撑放置在位于升降加载箱两侧的底座顶面或支撑平台上，并使两个地面支撑的顶部球面位于同一水平高度。
步骤43、将待测构件放置在两个地面支撑的顶部球面上，锥形加载头高度下降，锥形加载头的点加载面或直线加载面与待测构件的中心横截面相贴合。
步骤44、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测构件向下弯曲，随着加载杆继续向下移动，直至待测构件受弯破坏，力传感器读取受弯破坏时的压力值即为待测构件的抗弯值。
其中，抗剪切测试，如图8和图14所示，包括如下步骤：
步骤51、将其中一个剪切夹具的通用接头可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另外两个剪切夹具的通用接头可拆卸式安装在位于力传感器两侧的夹具安装孔中。
步骤52、将待测构件放置在三个剪切夹具的夹紧槽中，升降加载箱中的加载杆向上移动，与力传感器相连接的剪切夹具携带位于中部的待测构件向上移动，随着加载杆继续向上移动，直至待测构件受剪切破坏，力传感器读取受剪切破坏时的压力值即为待测构件的抗剪切值。
步骤12中，待测抗拉构件为矩形、圆形或H型。在拉压钳式夹具的U型支座的底面侧壁上设置沿左右方向的对中刻度尺，通过调节左夹钳和右夹钳在U型支座的U型腔底部的滑移位置，进而实现待测抗拉构件的对心夹取或偏心夹取。
综上所述，本发明能够快速折叠拆卸，替换多种工具组以准确测试小尺寸构件抗拉/抗压/抗弯/抗剪等力学性能。测试机分别模拟了模拟在两端铰接下的受压/受弯，可直接测试构件抗剪力大小，可直接采用欧拉公式计算受压杆件理论失稳力，可采用简支梁模型计算受弯杆件的跨中弯矩和理论跨中挠度，再与实际测试结果进行比较，使结果更为准确。
上述采用欧拉公式计算受压杆件理论失稳力的原理如下。
实际测定中常见杆件根据计算出的长细比λ(即柔度)分为大柔度压杆与中柔度压杆，A、大柔度压杆(细长杆)：
符合胡克定律，可使用欧拉公式进行计算。
Figure BDA0002986179430000111
适用范围：只有压杆(也称压杆或待测构件)的临界应力小于或等于材料的比例极限时，或者压杆长细比大于或等于临界长细比时，欧拉公式才适用：
Figure BDA0002986179430000112
或
Figure BDA0002986179430000113
式中，
Figure BDA0002986179430000114
为杆件长细比，μ为长度系数，根据杆件两端的约束情况来取值，本装置的杆端约束等效为铰接，取μ＝1；l为杆件长度。
i为压杆截面的惯性半径，通过查阅相关资料可得；
Fcr为压杆的临界压力；
σcr为当压力达到临界力时压杆截面的上的临界应力；
σp为压杆材料的比例极限，与材料的力学性能有关，可查阅相关资料可得；
λp为临界长细比，与材料的力学性能有关，不同材料的值不同，欧拉公式对不同材料的使用范围不同，可通过查阅相关资料获得；
E为材料弹性模量，I为截面惯性矩，A为截面面积。
B、中柔度压杆：
当压杆长细比(即柔度)小于临界长细比时，临界应力就大于比例极限，这时不能使用欧拉公式，需要使用以试验数据为依据的经验公式，常用的经验公式有直线公式和抛物线公式。
(1)直线公式：σcr＝a-bλ
式中a、b是与材料性质有关的系数,可以查相关手册得到。
适用范围：σp＜σcr＝a-bλ≤σs或
Figure BDA0002986179430000121
σs为压杆材料的屈服极限(强度极限)；
λs为根据材料屈服极限计算得出的临界长细比。
(2)抛物线公式：
在我国钢结构规范中也有采用抛物线经验公式：
Figure BDA0002986179430000122
式σs中为钢材的屈服极限，通过查阅相关资料可得；
a为与材料力学性能有关的参数，通过查阅相关资料可得；
λc为根据钢材屈服极限与参数计算得出的临界长细比值，通过查表可得。
公式应用:
(1)测量压杆的截面形状和尺寸以及杆长，计算压杆的惯性半径，利用大柔度压杆A中的长细比公式计算杆件长细比。
(2)将计算出的长细比λ与通过资料查到的临界长细比λp进行比较，如果杆件满足下式，
Figure BDA0002986179430000131
则杆件属于大柔度杆件，使用大柔度压杆A中的欧拉公式计算；如果杆件满足λp＞λ，则杆件属于中柔度杆件，可以使用中柔度杆件B中的直线公式或抛物线公式计算。使用欧拉公式以及直线公式或抛物线公式时，需要根据上述公式查阅相关表格或规范，确定不同材料对应的不同参数，对应参数值代入公式计算即可得出杆件的理论临界力。
上述采用简支梁模型计算受弯杆件的跨中弯矩和理论跨中挠度的原理如下。
实际测定满足以下基本假定：梁在受力而发生纯弯曲后,其原来的横截面保持为平面，并绕垂直于纵对称面的某一轴旋转，且仍垂直于梁变形后的轴线，此即弯曲问题中的平面假设。对于纯弯曲梁，按弹性理论分析的结果，证明其横截面确实保持为平面。
故而，跨中挠度计算公式为：
Figure BDA0002986179430000132
跨中弯矩计算公式为：
Figure BDA0002986179430000133
计算式中：F即为压力传感器示数；
l为简支梁跨度，由实际测量得出；
E为材料弹性模量，可查阅参考资料；
I为截面惯性矩，由实际测量结果计算得出。
公式应用：
(1)装置测量受弯构件使用简支梁计算模型，在计算跨中弯矩和理论跨中挠度时，只需要根据上述公式(1)和公式(2)确定即可，其余过程为公式推导，便于装置使用者理解计算原理。
(2)测量杆件截面形状和尺寸，计算截面惯性矩I，查阅资料获得材料弹性模量E，测量杆件两端支座中心点之间的距离，即跨度L，实验时读出压力传感器的读数，即集中力F。将上述参数值代入公式(1)和公式(2)计算跨中弯矩和理论跨中挠度。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：包括底座、立柱、横梁、升降加载箱和可拆卸多功能夹具组件；
横梁位于底座的正上方，并通过立柱与底座相连接；
升降加载箱安装在横梁底部，升降加载箱的底部设置有力传感器；
位于升降加载箱正下方的底座顶面设置有至少三个夹具安装孔；
可拆卸多功能夹具组件包括拉压工具组、测弯工具组和剪切工具组；
拉压工具组包括至少两个钳式夹具；
每个钳式夹具均包括U型支座、左夹钳和右夹钳；U型支座的底面中心设有通用接口，每个通用接口均能与力传感器的输出端接口或任意一个夹具安装孔可拆卸连接；左夹钳和右夹钳均滑动安装在U型支座的U型腔底面，且能沿U型腔底面左右往复滑移并锁紧；
测弯工具组包括单点锥形加载头、均布锥形加载头和地面支撑；
地面支撑放置在位于升降加载箱两侧的底座顶面或支撑平台上，两个地面支撑的顶面为球面，且位于同一水平高度；
单点锥形加载头和均布锥形加载头的顶端面中心均具有所述通用接口；其中，单点锥形加载头的底面为能与梁杆件横截面相配合的点加载面；均布锥形加载头的底面为能与板材横截面相配合的直线加载面；
剪切工具组包括至少三个剪切夹具，每个剪切夹具均包括固定钳、竖直连接板和滑动夹钳；
固定钳的底面中心设置有所述通用接口；
竖直连接板竖向设置，其底端安装在固定钳的一条侧边上；
滑动夹钳位于固定钳的正上方，且滑动安装在竖直连接板上，并能沿竖直连接板进行竖直方向的往复滑移并锁紧。
2.根据权利要求1所述的便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：可拆卸多功能夹具组件还包括薄膜类测拉夹具，薄膜类测拉夹具包括两个薄膜夹钳，每个薄膜夹钳均包括右固定弹性夹钳、左活动弹性夹钳、底板和夹紧驱动机构；底板安装在右固定弹性夹钳的底部内侧壁，在底板的底面中心设置有所述通用接口；左活动弹性夹钳能在夹紧驱动机构的驱动下，其顶端与右固定弹性夹钳顶端弹性夹紧配合，形成薄膜夹持部。
3.根据权利要求1所述的便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：拉压工具组包括六个钳式夹具；其中两个钳式夹具用于测试两端张紧夹持下的拉抗性能，称为拉压钳式夹具；剩余四个钳式夹具中的两个，其U型支座、左夹钳和右夹钳的顶面均为光滑平面，用于测试两端铰接下的受压性能，称为受压钳式夹具；剩余两个钳式夹具，其U型支座、左夹钳和右夹钳的顶面均为光滑球面，用于测试两端铰接下的受弯性能，称为受弯钳式夹具。
4.根据权利要求1所述的便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：每个钳式夹具中U型支座的底面侧壁上设置有沿左右方向的对中刻度尺。
5.根据权利要求4所述的便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：左夹钳和右夹钳相向一侧的中心处设置有开口相对的V型槽；固定钳和滑动夹钳相向一侧的中心处也设置有开口相对的V型槽。
6.根据权利要求1所述的便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：底座包括相互铰接的若干块可折叠底板，立柱包括若干根立柱节段，相邻两根立柱节段之间为可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：力传感器底部设置有激光发射器。
8.一种便携多功能单柱力学性能测试方法，基于权利要求1-7任一项所述的便携多功能单柱力学性能测试机，其特征在于：通过更换便携多功能单柱力学性能测试机中的可拆卸多功能夹具组件，能够实现构件的抗拉、抗压、抗弯以及抗剪切测试；具体为：采用拉压工具组，能实现拉压测试；采用测弯工具组能实现抗弯测试；采用剪切工具组则能实现抗剪切测试；其中，拉压测试包括两端张紧夹持下的拉压测试、两端铰接下的受压测试和两端铰接下的受弯测试。
9.根据权利要求8所述的便携多功能单柱力学性能测试方法，其特征在于：两端张紧夹持下的拉压测试，包括如下步骤：
步骤11、将拉压工具组中一个拉压钳式夹具的通用接口安装在可拆卸式力传感器的输出接口处，将另一个拉压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中；
步骤12、将待测抗拉构件的顶端夹紧安装在位于顶端的拉压钳式夹具中，将待测抗拉构件的底端夹紧安装在位于底端的拉压钳式夹具中；
步骤13、升降加载箱中的加载杆向上移动，使得待测抗拉构件实现两端张紧夹持下的拉抗测试；升降加载箱中的加载杆继续向上移动，直至抗拉构件受拉破坏，力传感器读取受拉破坏时的拉力值即为抗拉构件的抗拉值；
步骤14、移除受拉破坏的抗拉构件，将待测抗压构件的顶端夹紧安装在位于顶端的拉压钳式夹具中，将待测抗压构件的底端夹紧安装在位于底端的拉压钳式夹具中；
步骤15、升降加载箱中的加载杆向下移动，使得待测抗压构件实现两端张紧夹持下的抗压测试；升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至抗压构件受压破坏，力传感器读取受压破坏时的压力值即为抗压构件的抗压值；
其中，两端铰接下的受压测试，包括如下步骤：
步骤21、将拉压工具组中一个受压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另一个受压钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中；
步骤22、将待测受压构件的顶端夹紧安装在位于顶端的受压钳式夹具中，将待测受压构件的底端夹紧安装在位于底端的受压钳式夹具中；
步骤23、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测受压构件与受压钳式夹具的光滑平面滑动接触，无水平方向约束，两者间类似铰接，因而能使待测受压构件实现两端铰接下的受压测试；升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至受压构件受压破坏，力传感器读取受压破坏时的压力值即为受压构件的受压值；
其中，两端铰接下的受弯测试，包括如下步骤：
步骤31、将拉压工具组中一个受弯钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另一个受弯钳式夹具的通用接口可拆卸式安装在与力传感器相对应的夹具安装孔中；
步骤32、将待测受弯构件的顶端夹紧安装在位于顶端的受弯钳式夹具中，将待测受弯构件的底端夹紧安装在位于底端的受弯钳式夹具中；
步骤33、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测受弯构件与受弯钳式夹具的光滑球面滑动接触，在无水平方向约束的同时，且能绕光滑球面自由转动，待测受弯构件与两个受弯钳式夹具间将类似两端铰接简支梁，因而能使待测受压构件实现两端铰接下的受弯测试；升降加载箱中的加载杆继续向下移动，直至受弯构件受弯破坏，力传感器读取受弯破坏时的压力值即为受弯构件的受弯值；
其中，抗弯测试，包括如下步骤：
步骤41、根据待测构件的类型，选择所需要的锥形加载头；当待测构件为梁杆件时，选择单点锥形加载头，当待测构件为板材时，选择均布锥形加载头；
步骤42、将选择的锥形加载头的通用接头可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将地面支撑放置在位于升降加载箱两侧的底座顶面或支撑平台上，并使两个地面支撑的顶部球面位于同一水平高度；
步骤43、将待测构件放置在两个地面支撑的顶部球面上，锥形加载头高度下降，锥形加载头的点加载面或直线加载面与待测构件的中心横截面相贴合；
步骤44、升降加载箱中的加载杆向下移动，待测构件向下弯曲，随着加载杆继续向下移动，直至待测构件受弯破坏，力传感器读取受弯破坏时的压力值即为待测构件的抗弯值；
其中，抗剪切测试，包括如下步骤：
步骤51、将其中一个剪切夹具的通用接头可拆卸式安装在力传感器的输出接口处，将另外两个剪切夹具的通用接头可拆卸式安装在位于力传感器两侧的夹具安装孔中；
步骤52、将待测构件放置在三个剪切夹具的夹紧槽中，升降加载箱中的加载杆向上移动，与力传感器相连接的剪切夹具携带位于中部的待测构件向上移动，随着加载杆继续向上移动，直至待测构件受剪切破坏，力传感器读取受剪切破坏时的压力值即为待测构件的抗剪切值。
10.根据权利要求9所述的便携多功能单柱力学性能测试方法，其特征在于：步骤12中，待测抗拉构件为矩形、圆形或H型；在拉压钳式夹具的U型支座的底面侧壁上设置沿左右方向的对中刻度尺，通过调节左夹钳和右夹钳在U型支座的U型腔底部的滑移位置，进而实现待测抗拉构件的对心夹取或偏心夹取。
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