CN113176152B - 测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，包括多个水平弹性组件和一组平行的右侧夹板、左侧夹板，每个水平弹性组件通过螺杆连接右侧夹板、左侧夹板，每个螺杆的两端均连接螺母，左侧夹板与右侧夹板端部之间通过大尺寸螺杆连接固定板，左侧夹板与右侧夹板另一端部之间设置加载板，加载板与固定板在同一直线上；试验方法为：通过MTS动态疲劳试验机一端固定连接固定板，另一端连接加载板，通过控制加载板的加载方式及加载速率，在特定的压力下进行测试弹塑性材料动剪切性能的动态试验、往复加载试验、高应变速率加载试验等，同时克服了现有试验装置易使试件边缘产生应力集中、剪切试验精度较低的缺陷。

Description

测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于弹塑性材料力学性能测试设备技术领域，具体涉及测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，还涉及测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验方法。

背景技术

由于工程的需要，越来越多的弹塑性材料应用于各种环境的工况中，对不同条件下弹塑性材料力学性能的研究问题变得尤为重要。

在弹塑性材料各项试验研究中，剪切性能是弹塑性材料重要的力学指标。当采用传统的直接剪切装置时，由于试件具有一定厚度，剪力作用下将产生一个使试件旋转的力矩，导致剪切平面偏移，影响实验测试结果。当采用MTS动态疲劳试验机进行斜剪试验时，试验操作简便，但缺点是加载时锲型模具所施加的正应力与剪应力不独立，正应力值无法单独获取，试件与锲型模接触部分容易产生应力集中现象，影响结果的准确性。另外，现有的测试弹塑性材料剪切性能的试验装置无法得到往复加载试验、高应变速率加载试验中特定压力下的弹塑性材料动剪切性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，克服了现有的试验装置存在的容易使试件边缘产生应力集中的缺陷的问题。

本发明的另一目的是提供一种测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验方法。

本发明所采用的技术方案是，测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，包括多个在同一平面内的水平弹性组件，还包括与多个水平弹性组件平行的右侧夹板、左侧夹板，每个水平弹性组件通过螺杆连接右侧夹板、左侧夹板，每个螺杆的两端均连接螺母，左侧夹板与右侧夹板端部之间通过大尺寸螺杆连接固定板，左侧夹板与右侧夹板另一端部之间设置加载板，加载板与固定板在同一直线上。

本发明的特点还在于：

每个水平弹性组件包括面板，每个面板与右侧夹板之间连接弹簧。

每个水平弹性组件内包括偶数个弹簧，且均匀分布在螺杆两侧。

面板与右侧夹板之间还连接测量面板位移的位移传感器。

每个面板正对右侧夹板一面固定连接多个与弹簧内径相同的固定杆，每个弹簧套接在固定杆外。

右侧夹板、左侧夹板相对一面的相对位置上均开设矩形凹槽a，加载板上位于与右侧夹板和左侧夹板相对的两个侧面开设矩形凹槽b。

矩形凹槽a、矩形凹槽b中均连接装配垫层。

右侧夹板和左侧夹板边缘相对铰接多个连杆，任意相对的两个连杆通过活动轴铰接于活动块上。

本发明所采用的另一种技术方案是，测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验方法，使用测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、取具有弹塑性的右侧试件、左侧试件，将右侧试件放置在加载板与右侧夹板之间，将左侧试件放置在加载板与左侧夹板之间；

步骤2、通过位移传感器测定面板与右侧夹板之间的距离，通过调节螺母使面板与右侧夹板之间的距离相同；

步骤3、将加载板连接MTS动态疲劳试验机的上夹具，将固定板连接到MTS动态疲劳试验机的下夹具，加载板由MTS动态疲劳试验机驱动移动，通过控制加载板的加载方式及加载速率，实现对弹塑性材料动剪切性能测试。

右侧夹板、左侧夹板相对一面的相对位置上均开设矩形凹槽a，加载板上位于与右侧夹板和左侧夹板相对的两个侧面开设矩形凹槽b，右侧试件放置在加载板上的矩形凹槽b内与右侧夹板上的矩形凹槽a内，左侧试件放置在加载板上的矩形凹槽b内与左侧夹板上的矩形凹槽a内。

本发明有益效果是：

1)本发明是在MTS动态疲劳试验机上设计一种测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，通过控制加载板的加载方式及加载速率可以模拟弹塑性材料在不同情况下的实际受力状况，既可进行测试弹塑性材料剪切性能的静态试验，也可进行测试弹塑性材料动剪切性能的动态试验、往复加载试验、高应变速率加载试验。

2)本发明测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置能够同时检测两个试件，结构较为简单，易于操作，可以在高加载速率下进行试验，同时也能够配合温度箱在不同试验温度下进行试验。

3)本发明试验装置加载板和两侧夹板平行布置，使试件受力更均匀，克服了现有的试验装置容易使试件边缘产生应力集中的缺陷；相比直剪试验等，更接近于纯剪状态。

4)本发明中弹簧的刚度已知，通过改变弹簧的变形量自由控制试件受到的压力值，即可测得特定压力下弹塑性材料试件的动剪切性能，消除了传统的斜剪试验中锲型模具所施加的正应力与剪应力不独立，正应力值无法单独获取的弊端。

5)本发明通过对数据的采集和软件分析，能够较为精确地记录整个试验过程中的荷载-时间曲线，同时也能够记录位移-荷载曲线，可以较好地观察弹塑性材料的动剪切性能；另外也解决了现有弹塑性材料夹具结构复杂、测试数据离散的缺点，提高了实验结果的精度和准确性。

附图说明

图1是本发明测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置结构示意图；

图2是本发明测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置俯视图；

图3是本发明测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置右视图；

图4是本发明本发明测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置另一角度示意图。

图中，1.螺杆，2.螺母，3.面板，4.矩形凹槽a，5.矩形凹槽b，6.固定杆，7.弹簧，8.左侧夹板，9.装配垫层，10.左侧试件，11.位移传感器，12.大尺寸螺杆，13.右侧夹板，14.加载板，15.固定板，16.右侧试件，17.连杆，18.活动块。

具体实施方式底

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，如图1所示，包括多个在同一平面内的水平弹性组件，还包括与多个水平弹性组件平行的右侧夹板13、左侧夹板8，每个水平弹性组件通过螺杆连接右侧夹板13、左侧夹板8，水平弹性组件直接接触挤压连接在右侧夹板13上，给右侧夹板13一个水平方向的作用力，每个螺杆的两端均连接螺母2，通过螺母2调节弹性组件的弹力大小，左侧夹板8与右侧夹板13端部之间通过大尺寸螺杆12连接固定板15，固定板15位于左侧夹板8与右侧夹板13中部，固定板15用于将该试验装置固定连接在MTS动态疲劳试验机上，左侧夹板8与右侧夹板13另一端部之间设置加载板14，加载板14与左侧夹板8、右侧夹板13之间的相对位置可调，且加载板14分别与左侧夹板8、右侧夹板13之间形成用于放置左侧试件10、右侧试件16的两空腔，加载板14也连接在MTS动态疲劳试验机上，加载板14与固定板15在同一直线上，由MTS动态疲劳试验机驱动加载板14移动，通过对两个对称的弹塑性材料试件施加剪切力，抵消了加载的横向作用力，从而避免了传统直剪试验中直接剪切使试件产生旋转力矩，导致剪切平面偏移的现象，提高了剪切试验的精度。

如图2及图3所示，采用四个水平弹性组件，两两并排设置，每个水平弹性组件包括面板3，每个面板3与右侧夹板13之间连接弹簧7，弹簧7性能相同且均为压缩弹簧，多个面板3位于同一平面内，通过螺母2调节面板3相对右侧夹板13的距离，进而实现调节弹簧7对外弹力的大小作用。

每个水平弹性组件内包括偶数个弹簧7，且均匀分布在螺杆两侧，能够使面板3受力均匀，进而使右侧夹板13在水平方向受力均匀。

面板3与右侧夹板13之间还连接测量面板3位移的位移传感器11，位移传感器11能够测量面板3相对右侧夹板13的位移，进而获得弹簧7的形变量，弹簧的刚度已知，由弹簧的变形量即可得到试件受到的压力值并能在试验过程中实时监测压力值的变化。

每个面板3正对右侧夹板13一面固定连接多个与弹簧7内径相同的固定杆6，每个弹簧7套接在固定杆6外，能够起到固定连接弹簧7的作用，还能够防止弹簧7侧偏。

右侧夹板13、左侧夹板8相对一面的相对位置上均开设矩形凹槽a4，加载板14上位于与右侧夹板13和左侧夹板8相对的两个侧面开设矩形凹槽b5，矩形凹槽a4与相对的矩形凹槽b5之间能够卡接一个试件，防止试件受力时移动，影响试验结果。

矩形凹槽a4、矩形凹槽b5中均连接装配垫层9，能够防止试件蠕动。

如图4所示，右侧夹板13和左侧夹板8边缘相对铰接多个连杆17，任意相对的两个连杆17通过活动轴铰接于活动块18上，活动块18始终在右侧夹板13和左侧夹板8中间位置，起到保持右侧夹板13和左侧夹板8平行的作用。

本发明测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验方法，使用测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、取具有弹塑性的右侧试件16、左侧试件10，将右侧试件16放置在加载板14与右侧夹板13之间，将左侧试件10放置在加载板14与左侧夹板8之间；

步骤2、通过位移传感器11测定面板3与右侧夹板13之间的距离，通过调节螺母2使面板3与右侧夹板13之间的距离相同，通过螺母2调节所有面板3与右侧夹板13之间的距离，面板3与右侧夹板13之间的距离与弹簧7的长度相同，因此，在此位移传感器11能够测量弹簧7的形变量，由弹簧7的形变量即可得到试件受到的压力值并能在试验过程中实时监测压力值的变化；

步骤3、将加载板14连接MTS动态疲劳试验机的上夹具，将固定板15连接到MTS动态疲劳试验机的下夹具，加载板14由MTS动态疲劳试验机驱动移动，通过控制加载板14的加载方式及加载速率，既可进行测试弹塑性材料剪切性能的静态试验，也可进行测试弹塑性材料动剪切性能的动态试验、往复加载试验、高应变速率加载试验。

右侧夹板13、左侧夹板8相对一面的相对位置上均开设矩形凹槽a4，加载板14上位于与右侧夹板13和左侧夹板8相对的两个侧面开设矩形凹槽b5，右侧试件16放置在加载板14上的矩形凹槽b5内与右侧夹板13上的矩形凹槽a4内，左侧试件10放置在加载板14上的矩形凹槽b5内与左侧夹板8上的矩形凹槽a4内。

MTS动态疲劳试验机为现有设备，其由试验平台、加载系统和计算机控制系统组成，加载系统根据设定的加载模式对弹塑性材料进行加载，计算机控制系统实时采集数据。通过计算机控制系统设置采用应变或应力控制方式对试件进行加载，模拟实际轴载对弹塑性材料的作用，计算机控制系统自动保存试验中采集的检测数据。

通过上述方式，本发明一种测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，包括弹簧、固定杆、面板、位移传感器和用于夹紧弹塑性材料试件进行动剪切试验的双层剪切夹具，双层剪切夹具包括固定板、加载板和加载板两侧的夹板，加载板分别与两侧夹板之间形成用于放置试件的两空腔，四个螺杆穿过两侧夹板和面板上对应的连接孔，螺杆外端设置螺母，螺杆在螺母外侧长度均相等，大尺寸螺杆连接两侧夹板和固定板。通过控制加载板的加载方式及加载速率可以在特定的压力下进行测试弹塑性材料动剪切性能的动态试验、往复加载试验、高应变速率加载试验等，同时克服了以往夹具容易使试件边缘产生应力集中的缺陷，消除了传统直剪装置剪切试验精度较低的弊端。

Claims (4)

1.测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，其特征在于，包括多个在同一平面内的水平弹性组件，还包括与多个水平弹性组件平行的右侧夹板（13）、左侧夹板（8），每个所述水平弹性组件通过螺杆（1）连接右侧夹板（13）、左侧夹板（8），每个所述螺杆（1）的两端均连接螺母（2），所述左侧夹板（8）与右侧夹板（13）端部之间通过大尺寸螺杆（12）连接固定板（15），所述左侧夹板（8）与右侧夹板（13）另一端部之间设置加载板（14），所述加载板（14）与固定板（15）在同一直线上；

每个所述水平弹性组件包括面板（3），每个所述面板（3）与右侧夹板（13）之间连接弹簧（7）；

每个所述水平弹性组件内包括偶数个弹簧（7），且均匀分布在螺杆（1）两侧；

每个所述面板（3）正对右侧夹板（13）一面固定连接多个与弹簧（7）内径相同的固定杆（6），每个弹簧（7）套接在固定杆（6）外；

所述右侧夹板（13）和左侧夹板（8）边缘相对铰接多个连杆（17），任意相对的两个连杆（17）通过活动轴铰接于活动块（18）上；

所述面板（3）与右侧夹板（13）之间还连接测量面板（3）位移的位移传感器（11）。

2.根据权利要求1所述测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，其特征在于，所述右侧夹板（13）、左侧夹板（8）相对一面的相对位置上均开设矩形凹槽a（4），所述加载板（14）上位于与右侧夹板（13）和左侧夹板（8）相对的两个侧面开设矩形凹槽b（5）。

3.根据权利要求2所述测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，其特征在于，所述矩形凹槽a（4）、矩形凹槽b（5）中均连接装配垫层（9）。

4.测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验方法，其特征在于，使用权利要求2所述的测试弹塑性材料动剪切性能的压剪试验装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、取具有弹塑性的右侧试件（16）、左侧试件（10），将右侧试件（16）放置在加载板（14）与右侧夹板（13）之间，将左侧试件（10）放置在加载板（14）与左侧夹板（8）之间；

所述右侧夹板（13）、左侧夹板（8）相对一面的相对位置上均开设矩形凹槽a（4），所述加载板（14）上位于与右侧夹板（13）和左侧夹板（8）相对的两个侧面开设矩形凹槽b（5），所述右侧试件（16）放置在加载板（14）上的矩形凹槽b（5）内与右侧夹板（13）上的矩形凹槽a（4）内，所述左侧试件（10）放置在加载板（14）上的矩形凹槽b（5）内与左侧夹板（8）上的矩形凹槽a（4）内；

步骤2、通过位移传感器（11）测定面板（3）与右侧夹板（13）之间的距离，通过调节螺母（2）使面板（3）与右侧夹板（13）之间的距离相同；

步骤3、将加载板（14）连接MTS动态疲劳试验机的上夹具，将固定板（15）连接到MTS动态疲劳试验机的下夹具，加载板（14）由MTS动态疲劳试验机驱动移动，通过控制加载板（14）的加载方式及加载速率，实现对弹塑性材料动剪切性能测试。