CN113466028A - 一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具及其加载方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具及其加载方法，包括夹持端、加载压块、压力传感器和底座；所述加载压块四端通过螺栓螺母连接在底座上方，通过改变螺母的位置，获得相应的加载压力；所述压力传感器设置在底座和加载压块的中部区域之间，并连接计算机以获取相对应的加载压力；所述夹持端设置有四组，分别卡合连接在加载压块的四个侧面，与加载压块组成十字形结构，十字压缩试样放置在加载压块的中部，所述加载压块作用于十字压缩试样的受力区，四组所述夹持端用于夹持十字压缩试样的各个加载臂。本发明既可用于十字试样的常规压缩实验，也可以用于十字试样的拉压循环加载实验，而且装置结构简单，便于加工维护，且实验精度高。
Description
技术领域
本发明涉及材料复杂载荷测试技术领域，尤其涉及一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具及其加载方法。
背景技术
金属材料在各种机械结构中使用比例很大，板材成形作为常见的金属塑性成形技术之一，其在很多领域都占领着重要的地位，因其承受的应力状态十分复杂，对板材在复杂环境下的强度特性研究，特别是双轴加载条件下，越发的迫切需求。
由于板材的使用范围越来越广泛，对于其材料的力学性能就要有更准确的表征。在工程应用中，板材往往承受复杂的应力状态，经常遇到板材成形的破裂、起皱、回弹、减薄等问题，因此，单轴拉伸实验，双轴拉伸实验所得到的数据已经不能充分满足板材的实际应用要求。所以要对各向异性较强的材料采用双轴压缩和双轴拉压循环加载的方式，从而得到材料准确的力学性能。特别是双轴拉压循环加载实验能够测量板材在双轴拉压循环加载状态下出现的包申格效应。为以后进行有限元仿真，优化生产工艺和设计起到关键作用。
目前，双轴加载系统一般分为两大类：(1)利用单轴加载系统改进的双轴加载系统；(2)设备本身包含两个或两个以上加载系统；第一类单轴加载系统主要利用一定机械结构实现双轴加载，如发明专利“一种用于进行材料双向加载试验的试验装置”(申请号201110295955.0)和发明专利“拉伸比例可调式双轴拉伸夹具”(申请号201510586604.3)，该类装置主要实现双轴拉伸加载，无法解决双轴压缩的问题。如发明专利“用于材料双轴拉伸试验的加载装置及方法”(申请号：201410536501.1)和发明专利“用于材料双轴压缩试验的加载装置及方法”(申请号：201410536931.3)，虽然该类装置能够实现固定载荷比例的双轴拉伸和双轴压缩加载，但在实验精确性上无法与双轴加载系统对比，所得到的实验数据需要二次转换，且无法实现一个轴向压缩加载，另一个轴向拉伸加载。第二类装置由两个或多个加载系统独立实现，如发明专利“小型自对心单向加载双轴拉压试验装置”(申请号：201210442034.7)，该发明实现的试验件尺寸及加载极限均较小，适用范围局限，且需要两个加载电机，如发明专利“一种双轴拉伸测试装置”(申请号：201510005909.0)，这类装置较容易实现任意比例双轴拉伸或压缩试验，但由于试验设备构造复杂，成本较高，且对控制系统的要求较高，因而该方法的应用在一定程度上受到限制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具及其加载方法，既可用于十字试样的常规压缩实验，也可以用于十字试样的拉压循环加载实验，而且装置结构简单，便于加工维护，实验精度高。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具，包括夹持端、加载压块、压力传感器和底座；所述加载压块四端通过螺栓螺母连接在底座上方，通过改变螺母的位置，获得相应的加载压力；所述压力传感器设置在底座和加载压块的中部区域之间，并连接计算机以获取相对应的加载压力；所述夹持端设置有四组，分别卡合连接在加载压块的四个侧面，与加载压块组成十字形结构，十字压缩试样放置在加载压块的中部，所述加载压块作用于十字压缩试样的受力区，四组所述夹持端用于夹持十字压缩试样的各个加载臂；
所述夹持端和加载压块均设置为上下对称且可拆卸的两层结构；所述加载压块的四个侧面分别设置有定位滑轨，所述夹持端的内端分别设置有与所述定位滑轨相对应的定位卡槽，所述定位卡槽与定位滑轨间隙配合；所述夹持端的中部设置有定位孔，用于对十字压缩试样进行定位并提供夹持力。
进一步的，所述加载压块的上表面每侧均开辟有标距孔，用于测量十字压缩试样在不同方向上的变形量。
进一步的，所述加载压块的内表面和十字压缩试样的外表面之间涂抹有润滑剂，用于减少加载压块和十字压缩试样的摩擦系数，减少摩擦力。
一种用于双轴加载系统的十字压缩试样加载方法，所述加载方法包括以下步骤：
S1：首先将夹持端的上下两层分开，放置十字压缩试样，随后通过螺栓螺母调整夹持端上下两侧的距离，将十字压缩试样进行固定；通过记号笔在四个表距孔分别标记信号点，用来确定十字压缩试样在压缩实验中在两个方向上具体的压缩量；
S2：将加载压块的上下两层分开，在十字压缩试样的压缩区域和加载压块的内表面均匀涂抹润滑剂，然后将加载压块的上下两侧分别放置在十字压缩试样的上下两侧，随后将压力传感器放置在底座和加载压块之间，并将加载压块和底座的四角通过螺栓螺母进行连接，螺栓螺母连接时使用测力矩扳手或限力扳手应注意保证加载压块和底座的四角螺栓和螺母之间的受力尽可能的相同；
S3：将压力传感器连接至便携式计算机，实时测得加载压块对十字压缩试样的压力值，通过调整螺母位置，保持适当的下压力，完成十字压缩试样的固定，同时当实验进行过程中实时检测加载压块和底座之间的具体压力；
S4：通过所述夹具完成对十字压缩试样夹具的夹紧、固定；
S5：根据不同的实验要求，设置各个轴向的加载速率，进行压缩实验测试，通过压力传感器实时测量加载压块对十字压缩试样的下压力，当十字压缩试样压缩量到达的0.2％时，这时试件理论上进入塑性阶段，试件的应力应变曲线不在满足线弹性关系，随着十字压缩试样压缩量的逐渐增大我们应该实时关注试件的应力应变关系，当压力传感器测得的压力突然增大时或试件的应力-应变斜率突然变化时，此时试件已经处于失稳状态，之后的实验数据将不可取，应立即停止实验，再获取目前实验阶段详尽的实验数据。
进一步的，所述夹持端与所述加载压块均采用模型钢制成。
进一步的，所述底座包括上下两组支撑板，两组所述支撑板之间设置有缓震垫，用于调节十字压缩试样在受力后纵向尺寸发生，确保十字压缩试样均匀承受加载压块所施加的压力。
进一步的，所述底座采用钢质材料制成，所述缓震垫采用橡胶材料制成。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、装置构造简单，重量轻，可拆卸，对于制造加工的精度要求也不高，便于维护，能够简单快捷的完成实验任务；
2、可以根据不同实验要求，完成单轴压缩、双轴压缩、双轴拉压循环加载；
3、实验试样加工容易，加载实验过程中，载荷分布均匀，配合双轴加载系统，具有较高的加载精度；
4、夹持端的夹持间距可以调节，可实现对不同厚度的板材进行实验，定位卡槽留出了足够的压缩余量，可实现较大量程压缩实验；
5、压力传感器可以实时测量实验过程中加载压块所受到的压力，根据十字压缩试样和加载压块间的摩擦系数，可以测量十字压缩试样所受的摩擦力，从而更加准确的计算试样所受到的压缩应力，使测得的实验数据更加准确。
附图说明
图1为本发明所提出的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具的整体结构示意图；
图2为图1中夹持端的结构示意图；
图3为图1中加载压块的结构示意图；
图4为图1中底座的结构示意图；
图5为十字压缩试样与夹具分开的结构示意图。
其中，附图标记：1-夹持端；2-加载压块；3-压力传感器；4-底座；5-螺栓；6-定位卡槽；7-定位孔；8-螺纹孔；9-定位滑轨；10-标距孔；11-缓震垫；12-支撑板；13-十字压缩试样；14-螺母。
具体实施方式
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”、“前”、“后”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。
参见附图1至5，给出了本发明所提出的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具的一个实施例的具体结构。所述夹具包括夹持端1、加载压块2、压力传感器3和底座4；所述加载压块2四端通过螺栓5和螺母14连接在底座4的上方，通过改变螺母14的位置，获得相应的加载压力；所述压力传感器3设置在底座4和加载压块2的中部区域之间，并连接计算机以获取相对应的加载压力；所述夹持端1设置有四组，分别卡合连接在加载压块2的四个侧面，与加载压块2组成十字形结构，十字压缩试样13放置在加载压块2的中部，所述加载压块2作用于十字压缩试样13的受力区，四组所述夹持端1用于夹持十字压缩试样13的各个加载臂。
所述夹持端和加载压块均设置为上下对称且可拆卸的两层结构；所述加载压块的四个侧面分别设置有定位滑轨，所述夹持端的内端分别设置有与所述定位滑轨相对应的定位卡槽，所述定位卡槽与定位滑轨间隙配合；所述夹持端的中部设置有定位孔，用于对十字压缩试样进行定位并提供夹持力。
本实施例中，所述夹持端1设置为上下对称的两层结构，且为可拆卸结构，十字压缩试样13的加载臂放置在夹持端1的上下两侧中间，所述夹持端1的内端分别设置有定位卡槽6，所述夹持端1表面的中部设置有两个定位孔7，通过螺栓经螺母穿过定位孔7对十字压缩试样13进行固定；对于厚度不同的试样，可采用不同尺寸的螺母调整；所述夹持端1通过定位孔7对十字压缩试样13进行定位并维持一定的夹持力，随后通过双轴加载系统提供压力，保证十字压缩试样13的固定。
所述加载压块2同样设置为上下对称的两层结构，所述加载压块2的四个角端设置有螺纹孔8，所述加载压块2的四个侧面分别设置有定位滑轨9，所述定位滑轨9与定位卡槽6间隙配合，所述夹持端1通过定位卡槽6和加载压块2的定位滑轨9改变位置，从而达到对十字试样13压缩目的；所述加载压块2表面的四个方向上均设置有标距孔10，方便在实验开始前进行标距，同时也便于实验过程中得观察；所述螺纹孔8与螺栓5配合，提供压缩过程中避免十字压缩试样13弯曲的下压力，下压力的大小可由压力传感器3测得；且所述夹持端1与加载压块2均采用模型钢制成。
所述压力传感器3放置于底座4与加载压块2之间，通过调节螺栓5保持一定的压力；具体地，所述压力传感器3与加载压块2的下表面接触，是压力传感器3通过线缆与便携式计算机连接，实时测量实验过程中加载压块2下表面受到的压力；所述压力传感器3下端放置底座4上，起到缓冲减震的作用，同时保证在十字压缩试样13纵向尺寸发生变化时受力更加均匀，所述底座4通过四个螺栓5和螺母14与加载压块2的四个角端的螺纹孔8联接。
所述底座4由一对缓震垫11和上下两组支撑板12组成，用于调节十字压缩试样13在受力后纵向尺寸发生的改变，确保十字压缩试样13均匀承受加载压块2所施加的压力；所述缓震垫11采用橡胶材料，避免试样压缩过程中，产生冲击对压力传感器3造成破坏；所述支撑板12的作用是维持整个夹具体的稳定；所述支撑板12与加载压块2采用螺栓5和螺母14联接；所述支撑板12采用钢质材料制成，所述缓震垫11采用橡胶材料制成。
本实施例中，所述十字压缩试样13的上下表面以及加载压块2的内表面均涂抹有润滑剂，起到减小摩擦的作用，从而减少摩擦力对十字压缩试样13水平、垂直受力的影响。
一种用于双轴加载系统的十字压缩试样加载方法，所述加载方法包括以下步骤：
S1：首先将夹持端1的上下两层分开，放置十字压缩试样13，随后通过螺栓螺母调整夹持端1上下两侧的距离，将十字压缩试样进行固定；通过记号笔在四个表距孔10分别标记信号点，用来确定十字压缩试样13在压缩实验中在两个方向上具体的压缩量；
S2：将加载压块2的上下两层分开，在十字压缩试样13的压缩区域和加载压块2的内表面均匀涂抹润滑剂，然后将加载压块2的上下两侧分别放置在十字压缩试样13的上下两侧，随后将压力传感器3放置在底座4和加载压块2之间，并将加载压块2和底座4的四角通过螺栓螺母进行连接，螺栓螺母连接时使用测力矩扳手或限力扳手应注意保证加载压块2和底座4的四角螺栓和螺母之间的受力尽可能的相同；
S3：将压力传感器3连接至便携式计算机，实时测得加载压块2对十字压缩试样13的压力值，通过调整螺母14位置，保持适当的下压力，完成十字压缩试样13的固定，同时当实验进行过程中实时检测加载压块2和底座4之间的具体压力；
S4：通过所述夹具完成对十字压缩试样夹具的夹紧、固定；
S5：根据不同的实验要求，设置各个轴向的加载速率，进行压缩实验测试，通过压力传感器3实时测量加载压块对十字压缩试样13的下压力，当十字压缩试样13压缩量到达的0.2％时，这时试件理论上进入塑性阶段，试件的应力应变曲线不在满足线弹性关系，随着十字压缩试样13压缩量的逐渐增大我们应该实时关注试件的应力应变关系，当压力传感器13测得的压力突然增大时或试件的应力-应变斜率突然变化时，此时试件已经处于失稳状态，之后的实验数据将不可取，应立即停止实验，在获取目前实验阶段详尽的实验数据。
本发明的作用原理在于：薄板材料由于在厚度方向受力能力较差，所以在压缩薄板试样时，薄板材料会出现弯曲即失稳状态，所得到的实验参数存在大量误差，本发明针对十字压缩试样在压缩试验中存在失稳的情况进行夹具设计，用于改善实验过程，获得理想的薄板压缩实验参数。所述十字压缩试样13放置在加载压块2和底座4之间，由四角的螺栓螺母固定夹紧，预紧力在压力传感器3上实时显示，通过施加一定的预紧力在薄板的厚度方向，使十字压缩薄板13在压缩过程中处于不失稳状态，获得薄板一定程度的力学特性。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具，其特征在于：所述夹具包括夹持端、加载压块、压力传感器和底座；所述加载压块四端通过螺栓螺母连接在底座上方，通过改变螺母的位置，获得相应的加载压力；所述压力传感器设置在底座和加载压块的中部区域之间，并连接计算机以获取相对应的加载压力；所述夹持端设置有四组，分别卡合连接在加载压块的四个侧面，与加载压块组成十字形结构，十字压缩试样放置在加载压块的中部，所述加载压块作用于十字压缩试样的受力区，四组所述夹持端用于夹持十字压缩试样的各个加载臂；
所述夹持端和加载压块均设置为上下对称且可拆卸的两层结构；所述加载压块的四个侧面分别设置有定位滑轨，所述夹持端的内端分别设置有与所述定位滑轨相对应的定位卡槽，所述定位卡槽与定位滑轨间隙配合；所述夹持端的中部设置有定位孔，用于对十字压缩试样进行定位并提供夹持力。
2.根据权利要求1所述的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具，其特征在于：所述加载压块的上表面每侧均开辟有标距孔，用于测量十字压缩试样在不同方向上的变形量。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具，其特征在于：所述加载压块的内表面和十字压缩试样的外表面之间涂抹有润滑剂，用于减少加载压块和十字压缩试样的摩擦系数，减少摩擦力。
4.一种采用权利要求3所述夹具的加载方法，其特征在于，所述加载方法包括以下步骤：
S1：首先将夹持端的上下两层分开，放置十字压缩试样，随后通过螺栓螺母调整夹持端上下两侧的距离，将十字压缩试样进行固定；通过记号笔在表距孔处分别标记信号点，用来确定十字压缩试样在压缩实验中在两个方向上具体的压缩量；
S2：将加载压块的上下两层分开，在十字压缩试样的压缩区域和加载压块的内表面均匀涂抹润滑剂，然后将加载压块的上下两侧分别放置在十字压缩试样的上下两侧，随后将压力传感器放置在底座和加载压块之间，并将加载压块和底座的四角通过螺栓螺母进行连接，螺栓螺母连接时使用测力矩扳手或限力扳手应注意保证加载压块和底座的四角螺栓和螺母之间的受力尽可能的相同；
S3：将压力传感器连接至便携式计算机，实时测得加载压块对十字压缩试样的压力值，通过调整螺母位置，保持适当的下压力，完成十字压缩试样的固定，同时当实验进行过程中实时检测加载压块和底座之间的具体压力；
S4：通过所述夹具完成对十字压缩试样夹具的夹紧、固定；
S5：根据不同的实验要求，设置各个轴向的加载速率，进行压缩实验测试，通过压力传感器实时测量加载压块对十字压缩试样的下压力，当十字压缩试样压缩量到达的0.2％时，这时试件理论上进入塑性阶段，试件的应力应变曲线不在满足线弹性关系，随着十字压缩试样压缩量的逐渐增大我们应该实时关注试件的应力应变关系，当压力传感器测得的压力突然增大时或试件的应力-应变斜率突然变化时，此时试件已经处于失稳状态，之后的实验数据将不可取，应立即停止实验，再获取目前实验阶段详尽的实验数据。
5.根据权利要求1所述的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具，其特征在于：所述夹持端与所述加载压块均采用模型钢制成。
6.根据权利要求1所述的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具，其特征在于：所述底座包括上下两组支撑板，两组所述支撑板之间设置有缓震垫，用于调节十字压缩试样在受力后纵向尺寸发生，确保十字压缩试样均匀承受加载压块所施加的压力。
7.根据权利要求6所述的一种用于双轴加载系统的十字压缩试样夹具，其特征在于：所述底座采用钢质材料制成，所述缓震垫采用橡胶材料制成。
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