CN113390712B - 一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明申请属于航母舰载机拦阻钩常用材料冲击疲劳试验设计技术领域，具体涉及一种金属材料冲击拉伸疲劳试验夹具，包括：锤头、连接盖板、支座、底座、下夹头、压条、调节螺钉、锁定螺母。锤头和底座可根据试验机具体接口信息更改连接配合方式。试件下夹持段通过螺纹与下夹头连接，再由上下双螺母施加预紧力锁紧；试件上夹持段穿过支座顶部中心圆孔，通过双螺母施加预紧力锁紧固定；通过盖板连接下夹头的两砧座上，不仅增大了冲击时的接触面积，而且有利于两砧座的受力均衡；支座通过压条、调节螺钉固定在底座上。试验时，锤头施加的冲击载荷通过下夹头传递给试件，实现试件的冲击拉伸加载。本发明已经完成全套设计加工，并在钛合金冲击拉伸疲劳试验中成功应用，为舰载机拦阻钩、弹射杆等服役过程中承受冲击载荷作用的工程结构的疲劳寿命评估奠定基础。

Description

一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具
技术领域
本发明属于金属材料冲击疲劳试验设计技术领域，具体涉及一种金属材料冲击拉伸疲劳试验夹具，在此基础上可以展开金属材料冲击拉伸疲劳试验，为航母舰载机拦阻钩、弹射杆等服役过程中承受冲击载荷作用的工程结构的疲劳寿命评估奠定基础。
背景技术
由于航母舰面跑道长度有限，舰载机的着舰成为了一项高难度的技术，目前主要依靠舰面的拦阻索挂住飞机尾部的拦阻钩快速降低飞机速度，使其安全着舰。拦阻钩作为舰载机必备的着舰拦阻系统，是舰载机的特殊关键部位，其材料的性能与结构设计大大影响着飞机的着舰安全性、可靠性和出勤率。
舰载机着舰时拦阻钩受冲击拉伸载荷作用，为保证其可靠性，在研发设计时，需要对航空常用抗冲击金属材料进行冲击拉伸疲劳试验。
通过调查文献，发现关于冲击拉伸疲劳的理论研究与试验研究很少，已有的研究大多是冲击压缩与冲击三点弯曲问题，这两种形式加载在试验方面比较容易实现。
但是，对于我们要研究的问题，考虑冲击拉伸疲劳试验有以下两点原因：
1)舰载机拦阻钩在服役过程承受冲击拉伸载荷作用，与受冲击压缩以及冲击三点弯曲载荷作用时的应力应变响应存在一定差异；
2)试件在受冲击拉伸载荷作用时，试件为单轴受力状态，方便试验数据测量、响应分析与材料参数获取，从而为后续理论研究、损伤模型构建提供数据支撑。
鉴于以上原因提出本发明申请。
发明内容
发明解决的技术问题：提供一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，结合落锤冲击试验机实现试件的重复冲击拉伸加载，为冲击疲劳损伤理论研究提供数据支撑，为航母舰载机拦阻钩等服役过程中承受重复冲击载荷的工程结构的寿命预测奠定基础。
本发明技术解决方案是：一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，包括锤头、连接盖板、支座、下夹头、压条、调节螺钉、锁紧螺母；锤头、底座分别与落锤试验机冲杆、基座相连；支座中部为空腔，两侧开有对称式导向槽；下夹头中间为带螺纹孔的圆盘，两侧伸出凸台砧座；棒状试件下夹持段与下夹头通过螺纹配合以及双螺母施加预紧力锁紧固定进行连接；试件上夹持段穿过支座顶部中心圆孔，下夹头中间圆盘位于支座空腔中，两侧凸台位于支座的导向槽中，通过双螺母锁紧将试件上夹持段与支座顶部固定连接，下夹头嵌入支座中且不与支座产生任何接触；圆棒试件连接支座与下夹头，从而保证了支座、下夹头、试件同轴对心，在冲击加载过程中保证了试件的轴向受力状态；通过盖板将下夹头的两侧凸台连接起来，一来增大了冲击的接触面积，减小锤头的弯曲变形；二来增加了夹具系统的稳定性，使得两侧凸台受力均衡，从而保证试件中只产生轴向载荷。
本发明的创新点在于：通过特殊设计的试验夹具，在落锤试验机上实现了圆棒试件的重复冲击拉伸加载，可以支撑大批量圆棒试件冲击拉伸疲劳试验的开展，为冲击疲劳损伤理论模型的构建提供材料参数，同时也能通过缺口试件冲击拉伸疲劳寿命对理论模型进行验证，为航母舰载机拦阻钩等服役过程种承受重复冲击载荷的工程结构的寿命评估预测奠定基础。
附图说明
1)图1是本申请实施例提供的圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具装配结构示意图，其中(a)为轴测图；(b)为剖视图；
2)图1中，1-锤头，2-连接盖板，3-支座，4-下夹头，5-底座，6-连接螺钉(标准件)，7-压条，8-调节螺钉(标准件)，9-试验件，10-锁定螺母(标准件)；
3)图2为本发明的支座结构示意图，其中(a)为轴测图；(b)为俯视图；(c)为剖视图；
4)图3为本发明的下夹头结构示意图，其中(a)为轴测图；(b)为剖视图；
5)图4为本发明装配后试验时的照片。
具体实施方式
下面以落锤冲击试验机作为冲击驱动装置，结合附图对本发明进行详细说明。
如附图1所示，本发明主要针对金属材料冲击拉伸疲劳试验夹具进行了设计，夹具包括锤头1、连接盖板2、支座3、下夹头4、底座5、连接螺钉6、压条7、调节螺钉8、试验件9、锁定螺母10。锤头1和落锤冲击试验机的冲杆连接、底座与试验机的基座连接，试验件下夹持段通过螺纹配合以及双螺母与下夹头连接，试验件上夹持段通过双锁定螺母与支座上端连接，此时下夹头位于支座内部空腔中，下夹头两侧凸台位于支座两侧的导向槽中，下夹头的外侧表面与支座的内测表面保持有1mm-2mm的间距，保证在试验过程中下夹头与支座内部空腔不产生任何接触，上连接盖板套在下夹头的两个凸台上，通过螺钉固定；支座通过两根金属压条以及四颗螺钉与底座连接；盖板底面与试验件上端面的距离以及下夹头底面与支座底面的距离为10mm-15mm，保证在试验件断裂之前盖板与试验件上端面、下夹头底面与基座底面不接触。
试验过程中夹具装配图如图1所示，实物装配效果如图4所示，组装过程分为5步：
1)将夹具底座5通过螺栓与试验机基座连接，锤头1通过螺纹配合与试验机冲杆连接；
2)将试验件9下夹持段通过螺纹以及双锁紧螺母10与下夹头4连接；
3)试验件9上夹持段下锁紧螺母10预先拧上，将试验件9与下夹头4一同放入支座3的内部空腔中，调整好下夹头4的角度，确保其两侧凸台不与支座导向槽产生接触，试验件上夹持段穿过支座3底部中心的圆孔，通过螺母将其固定；
4)将连接盖板2套在下夹头4的两侧凸台上，通过螺钉6进行固定连接；
5)将支座3安放在底座5上，对准定位孔与定位凸台，再通过压条7、螺钉8将支座3与底座5固定。
试验过程中，通过设置冲击能量，落锤冲击试验机将锤头1抬升至相应高度释放，锤头1作自由落体运动，撞击夹具连接盖板2，冲击载荷通过和盖板连接的下夹头4的两侧凸台传递到试验件9的下夹持段，带动试验件9下夹持段向下运动，由于试验件9的上夹持段通过双锁紧螺母10固定在支座3上，于是在试验件9上产生了冲击拉伸载荷。
本发明解决了在现有技术条件基础上难以实现的圆棒试件冲击拉伸疲劳试验的问题，通过设计的夹具在落锤冲击试验机上实现了圆棒试件的冲击拉伸疲劳加载，为航母舰载机拦阻钩、弹射杆等服役过程中承受冲击载荷作用的工程结构的疲劳寿命评估奠定基础。此外，本发明装配简单、使用方便；对于不同尺寸的圆棒试验件，只需重新调整支座3、下夹头4的中心圆孔尺寸与高度即可。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
本发明的范围由所附权利要求限定，不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：包括锤头、连接盖板、支座、下夹头、压条、调节螺钉和锁紧螺母；支座中部为圆柱体空腔，两侧开有对称矩形导向槽，顶部中心为圆形通孔，底部两侧有对称矩形槽；下夹头中间为带螺纹通孔的圆柱体，两侧为伸出的顶部中心带螺纹孔的凸台；连接盖板两侧对应下夹头凸台的位置有凹槽和阶梯孔；圆棒试件下夹持段通过螺纹以及双螺母与下夹头锁紧固定；试件上夹持段预先套上一螺母，调整好螺母位置，试件穿过支座顶部中心圆孔，螺母位于支座内部顶面的六角形凹槽中，下夹头位于支座的内部空腔中，通过螺母锁定试件上端；连接盖板套在下夹头两侧凸台上，通过螺钉固定；支座底部有两圆形定位凹槽与底座表面圆形定位凸台配合，再通过压条和螺钉将支座固定。
2.根据权利要求1所述的一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：所述支座顶层的厚度比试件上夹持段短6mm-15mm，保证试件上夹持段穿过支座顶部圆孔后有足够长的露出段用于螺母锁紧固定。
3.根据权利要求1所述的一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：所述支座内部顶面有一正六角形凹槽，边长比所用的螺母长0.5mm-1mm，深度比所用螺母的厚度大0.5mm-1mm，保证试件上夹持段下螺母能嵌入凹槽中，限制其转动，通过给上螺母施加预紧力才能达到更好的双螺母锁紧效果。
4.根据权利要求1所述的一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：所述支座内部空腔直径比下夹头中间圆盘直径大2mm-5mm，两侧矩形通槽宽度比下夹头两侧凸台宽度大2mm-5mm，支座顶部侧面的内凹面距中心轴的距离比下夹头两侧凸台内侧面距离中心轴的长度比小2mm-5mm，支座底部的矩形凹槽长度比下夹头长度大5mm-10mm，保证下夹头能从底部进入支座空腔中，且在试验过程中下夹头不与支座产生任何接触。
5.根据权利要求1所述的一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹头与试件的下夹持段为螺纹配合，再通过上下双螺母锁紧，下夹头底部与支座内部顶面相同，具有六角形凹槽，保证固定效果，节省试件下夹持段长度。
6.根据权利要求1所述的一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：所述下夹头在安装好试件后，底部与支座底部的距离应大于试验段长度与断裂伸长率的乘积，保证试验过程中试样充分拉伸，不与基座产生接触。
7.根据权利要求1所述的一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：所述支座底部定位圆孔与底座定位凸台为间隙配合，定位孔的直径比定位凸台的直径大0.1mm-0.2mm，定位孔深度比定位凸台高度大0.5mm-1mm，保证支座定位安装的同时，确保支座底面与底座上表面充分接触。
8.根据权利要求1所述的一种圆棒试件冲击拉伸疲劳试验夹具，其特征在于：所述连接盖板在冲击加载过程中将冲击载荷传递给下夹头的两侧凸台，下夹头向下运动带动试件下夹持段运动，将载荷传递给圆棒试件，锤头重复冲击，实现试件的冲击拉伸疲劳加载。
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