CN113740150B - 一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动静态力学测试装置，具体涉及一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置，包括可调夹具装置、电子预紧装置、电磁装置、升降平台装置和直流电源。预紧装置能为磁流变弹性体施加不同预应变工况测试，并通过电子尺数显表可直接读出应变所对应的位移值。测试夹具的两个下剪切板是两侧可调间距，具有较大移动范围，装夹不同测试厚度的磁流变弹性体；下剪切板和下拉伸板分别利用螺母紧固在高频激励的动载荷下夹持稳定不产生滑移。磁路蜿蜒特性电磁铁具有合理的空间结构设计，在两磁极面的间隙是测试夹具装置的磁场作用范围；测试装置可测得不同磁场强度、激励频率和预应变条件磁流变弹性体的动静态力学特性以及疲劳损伤特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种动静态力学测试装置，具体涉及一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置。
背景技术
磁流变弹性体(MRE)作为磁流变族材料中特殊的智能材料，在磁场的作用下，磁流变弹性体内部的颗粒被磁化后，产生相互作用力，并进而影响其弹性模量和阻尼等力学性能，以及电学、磁学诸性能。磁流变弹性体不但具有可控性、可逆性、响应迅速等高技术特征，还具有无泄漏问题、稳定性好、结构设计简单、制备成本低等独特的优点，因而拥有巨大的应用潜力，逐渐成为智能材料的新兴热门分支。近二十年，由于此智能材料的基本力学特性是磁流变弹性体应用开发的基础，大量研究者着眼于磁流变弹性体的动静态力学特性的研究。美国Lord公司Jolly等人在他们的研究工作中首创发展了一个准静态偶极模型来解释描述磁流变弹性体MRE内部的模量变化规律。Jolly还研究了磁流变弹性体在外磁场作用下流变效应利用实验数据确定了双参数粒子偶极矩半经验模型,并采用双搭接剪切MRE试样对模型进行了验证。福特研究院Davis推导理论计算了零磁场下排列链MRE的应力应变关系和剪切模量随间隙/颗粒直径的变化规律。康考迪亚大学Ramin提出了一种基于停止算子的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型描述迟滞应力应变特性，用于预测MREs的非线性滞回特性与应变幅值、激励频率和磁通密度的关系。五伦贡大学李卫华提出BCT晶格理论描述MRE微磁颗粒在橡胶基体内的排列结构，预测磁流变弹性体剪切磁致模量的变化规律，明显改善了等间距单一磁链结构的误差。重庆大学余淼研究多孔磁流变弹性体采用NH4HCO3与橡胶基质、羟基铁颗粒混合制备各项同性的MRE，揭示其动态力学特性变化规律并评估MR效应。中国科学技术大学龚兴龙等利用BCT晶格分布和磁链颗粒高斯分布有效预测了MRE动态力学特性，揭示了温度对MRE磁流变性能的影响机制。以上研究者们通过研究磁流变弹性体动静态力学特性，分析得到的本构关系模型，目前剪切行为的动静态力学测试手段常见的有具有磁模块的动态流变仪、改装加有电磁线圈的动态热机械DMA以及自制具有磁场装置夹具的力学试验机。前两种方法测试成本昂贵，测试样件尺寸限制，并且无法完成长时间的疲劳动态力学实验。第三种方法目前已公布的发明专利CN108871976A中发明了一种可以测得磁场条件下不同压缩应力条件的磁流变弹性体剪切性能，但无法针对不同厚度的测试样件调节距离，同时剪切装置无法完成动态力学性能的测试。株洲时代新材公司涂奉臣等公布的专利CN203629966U中发明一种磁流变弹性体压缩性能测试装置。上海应用技术大学公布的专利CN111999170A中发明了一种磁流变弹性体法向力测试平台。基于研究测试需求，目前磁流变弹性体剪切力学测试装置无法完成动态力学测试，样件测试厚度受到局限，并且无法在普通的力学实验机上测试使用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置。为科学实验研究提供有利的工具，测试数据可以计算得到磁流变弹性体刚度与阻尼的变化规律，不仅在减振关键器件研发方面有着广泛的用途，而且在波调控、可穿戴生物贴片，硬度可控手套、虚拟工作或触觉设备和神经刺激治疗设备等研发提供理论依据。
本发明采用的技术方案为：一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置，所述测试装置包括可调夹具装置、电子预紧装置、电磁装置、升降平台装置和直流电源；所述可调夹具装置包括上拉伸夹头、上剪切板、下剪切板、下剪切板调距丝杠、下剪切板固紧螺母、压紧片、固接螺母、下拉伸板和下拉伸夹头；所述上拉伸夹头和下拉伸夹头分别固夹在力学试验机的上下两个作动器上，上拉伸夹头与上剪切板焊接；所述调距丝杠穿过两个下剪切板的下端孔，并通过下剪切板固紧螺母和压紧片装配锁死；两个下剪切板通过调距丝杠连接，利用螺母和压紧片在两端固定夹持位置；下拉伸板和下拉伸头固接，而两个下剪切板通过螺母固定在下拉伸板上；压紧片由于比螺母作用面积大，因此能紧贴下剪切板外侧，螺母在其外侧锁死，两个下剪切板下端具有一段柱状结构可以穿过下拉伸板的长方形通孔，并可以左右自由滑动，利用此长方形通孔滑动下剪切板调节测试不同厚度的磁流变弹性体；当下剪切板滑动到相应位置时利用下剪切板与下拉伸板固接螺母将其锁死；所述下拉伸夹头与下拉伸板焊接为一体，其位于拉伸板平面中心处；所述电子预紧装置包括两个电子尺丝杠顶杆、右电子尺行程表、右电子尺滑轨、左电子尺行程表和左电子尺滑轨；右电子尺行程表、右电子尺滑轨和电子尺丝杠顶杆组装后设置于下剪切板的一侧，左电子尺行程表、左电子尺滑轨和电子尺丝杠顶杆组装后设置于下剪切板的另一侧；通过电子尺丝杠顶杆提供预压力在测试样件上，接通直流电源对上下剪切板夹持的磁流变弹性体起到预紧作用；由电源控制器输入相应的位移指令驱动电子尺丝杠顶杆移动达到目标位移，此时电子尺丝杠顶杆端部宽面压紧下剪切板外侧产生对应的预变形量。右电子尺行程表和左电子尺行程表显示屏上读取数据，将两数值累加得到总变形量，可以通过磁流变弹性体样件厚度尺寸计算出预应变；所述电磁装置主要由磁发生和磁测试两部分功能组成，包括磁路蜿蜒特性电磁铁、高斯传感器探头和高斯计数显表，下剪切板外侧与电磁铁极面的间隙用于将高斯计探测头伸入，高斯传感器探头与控制电路的高斯计数显表相连，高斯传感器探头末端被支承结构固定；电磁铁具有蜿蜒磁路特性，根据空间合理设计，其适用性优于圆柱形电磁铁；磁路蜿蜒特性电磁铁的磁感线路径从左侧极面出发沿铁芯环绕到右侧极面，可调夹具装置位于磁路蜿蜒特性电磁铁两极面的间隙中；为剪切板内的磁流变弹性体提供较宽的磁场强度可调范围，电磁铁装载位置在两个下剪切板外侧且与装夹的磁流变弹性体在同一高度，与下剪切板外侧不直接接触，留存间隙为高斯传感器探头安装提供空间；当力学试验机做拉伸作用时直流电源调节输入电流值控制磁极间隙的磁场强度，磁场强度利用高斯传感器探头测量，在高斯计数显表屏幕上读取数据，此部分功能可实现不同磁场强度下磁流变弹性体剪切动静态力学测试；所述升降平台装置包括升降平台支撑板、升降平台固定螺母、液压升降杆、和液压升降器；所述四个液压升降杆的一端与液压升降器组装在一起，利用液压器中的油压达到较高的支撑强度；四个液压升降杆的另一端穿过平台支撑板后通过升降平台固定螺母锁死，升降平台支撑板通过开孔穿过液压升降杆，液压升降器通过手动压起提升或降低平台高度，调节升降高度时测量保证支撑板在水平面上，最后利用螺母在支撑板的上下表面固定锁死。此升降平台装置主要为电子预紧装置和电磁装置作支撑作用和高度调节作用。以此保证本发明设计结构可以在通用的力学试验机动静态测试时电子预紧装置和电磁装置的高度位置和稳定性；整个升降平台装置在使用时需要放置在力学实验机台面上，升降平台装置不仅起到支撑电子预紧装置和电磁装置，而且可以调节它们的工作高度达到磁流变弹性体装夹对应的高度；升降平台装置中利用支撑板结构中心位置的矩形孔使得下剪切板穿过，与上剪切板交叉，两块磁流变弹性体样件被夹持在上下剪切板中间。
进一步的，所述直流电源主要分别连接电子尺滑轨和电磁铁，一方面对电子尺提供直流电源，另一方面通过调节电流大小控制电磁铁磁场强度。
进一步的，电子尺丝杠顶杆、电子尺滑轨和电子尺行程表作为预紧装置可以为磁流变弹性体施加不同预应变工况测试，并通过与丝杠顶杆连接的电子尺数显表可直接读出应变所对应的位移值。测试夹具的两个下剪切板是两侧可调间距，具有较大移动范围，装夹不同测试厚度的磁流变弹性体；下剪切板两侧和下方分别利用螺母紧固在高频激励的动载荷下夹持稳定不产生滑移。磁路蜿蜒特性电磁铁具有合理的空间结构设计，在两磁极面的间隙是测试夹具装置的磁场作用范围；本剪切动静态力学测试装置可测得不同磁场强度、激励频率和预应变条件磁流变弹性体的动静态力学特性以及疲劳损伤特性。
进一步的，所述可调夹具装置中上、下拉伸夹头分别被力学试验机的上下夹头夹紧，液压升降装置被固定在试验机台面上，通过力学试验机测试不同激励频率、预变形、疲劳循环周期和磁场强度的不同厚度磁流变弹性体的动静态力学特性与疲劳损伤特性。
本发明的有益效果：本发明与现有的测试装置相比，其显著的优点：
（1）、通过电子尺预紧装置对磁流变弹性体有效提供预紧变形，并且可以利用电子尺数显表读出磁流变弹性体在磁链方向的预紧变形量，则可换算出对应的预应变。
（2）、可调夹具装置可以任意改变范围内夹持样件的厚度，可对不同厚度的磁流变弹性体样件进行动静态力学测试。
（3）、蜿蜒磁路特性的电磁铁在夹具中间产生垂直于样件的磁场强度可通过直流电源电流调节，并利用高斯计可测得磁场强度大小。
（4）、液压升降装置为夹具夹持测试样件位置提供了不同选择，使得电磁铁作用磁场的位置和预紧装置的位置可随着升降高度调节。
附图说明
图1是实施例一的结构示意图；
图2是实施例一中可调夹具装置的左视图；
图3是图2中A-A的剖视图；
图4是图2中B-B的剖视图
图5是实施例一中磁路蜿蜒特性电磁铁的磁感线分布图；
图6是实施例一中升降平台支撑板的俯视图。
具体实施方式
实施例
参照各图，一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置，所述测试装置包括可调夹具装置、电子预紧装置、电磁装置、升降平台装置和直流电源16；所述可调夹具装置包括上拉伸夹头1、上剪切板2、下剪切板10、下剪切板调距丝杠11、下剪切板固紧螺母12、压紧片13、固接螺母14、下拉伸板21和下拉伸夹头22；所述上拉伸夹头1和下拉伸夹头22分别固夹在力学试验机的上下两个作动器上，上拉伸夹头1与上剪切板2焊接；所述调距丝杠11穿过两个下剪切板10的下端孔，并通过下剪切板固紧螺母12和压紧片13装配锁死；两个下剪切板通过调距丝杠连接，利用螺母和压紧片在两端固定夹持位置；下拉伸板和下拉伸头固接，而两个下剪切板通过螺母固定在下拉伸板上；压紧片由于比螺母作用面积大，因此能紧贴下剪切板外侧，螺母在其外侧锁死，两个下剪切板下端具有一段柱状结构可以穿过下拉伸板的长方形通孔，并可以左右自由滑动，利用此长方形通孔滑动下剪切板调节测试不同厚度的磁流变弹性体；当下剪切板滑动到相应位置时利用下剪切板与下拉伸板固接螺母将其锁死；所述下拉伸夹头22与下拉伸板21焊接为一体，其位于拉伸板平面中心处；所述电子预紧装置包括两个电子尺丝杠顶杆4、右电子尺行程表5、右电子尺滑轨6、左电子尺行程表18和左电子尺滑轨19；右电子尺行程表5、右电子尺滑轨6和电子尺丝杠顶杆4组装后设置于下剪切板10的一侧，左电子尺行程表18、左电子尺滑轨19和电子尺丝杠顶杆4组装后设置于下剪切板10的另一侧；通过电子尺丝杠顶杆提供预压力在测试样件上，接通直流电源对上下剪切板夹持的磁流变弹性体起到预紧作用；由电源控制器输入相应的位移指令驱动电子尺丝杠顶杆移动达到目标位移，此时电子尺丝杠顶杆端部宽面压紧下剪切板外侧产生对应的预变形量。右电子尺行程表和左电子尺行程表显示屏上读取数据，将两数值累加得到总变形量，可以通过磁流变弹性体测试样件厚度尺寸计算出预应变；所述电磁装置主要由磁发生和磁测试两部分功能组成，包括磁路蜿蜒特性电磁铁3、高斯传感器探头15和高斯计数显表17，下剪切板外侧与电磁铁极面的间隙用于将高斯计探测头伸入，高斯传感器探头15与控制电路的高斯计数显表17相连，高斯传感器探头末端被支承结构固定；电磁铁3具有蜿蜒磁路特性，根据空间合理设计，其适用性优于圆柱形电磁铁；磁路蜿蜒特性电磁铁3的磁感线路径从左侧极面出发沿铁芯环绕到右侧极面，可调夹具装置位于磁路蜿蜒特性电磁铁3两极面的间隙中；为剪切板内的磁流变弹性体提供较宽的磁场强度可调范围，电磁铁装载位置在两个下剪切板外侧且与装夹的磁流变弹性体在同一高度，与下剪切板外侧不直接接触，留存间隙为高斯传感器探头安装提供空间；当力学试验机做拉伸作用时直流电源调节输入电流值控制磁极间隙的磁场强度，磁场强度利用高斯传感器探头测量，在高斯计数显表屏幕上读取数据，此部分功能可实现不同磁场强度下磁流变弹性体剪切动静态力学测试；所述升降平台装置包括升降平台支撑板7、升降平台固定螺母8、液压升降杆9、和液压升降器23；所述四个液压升降杆9的一端与液压升降器23组装在一起，利用液压器中的油压达到较高的支撑强度；四个液压升降杆9的另一端穿过平台支撑板7后通过升降平台固定螺母8锁死，升降平台支撑板通过开孔穿过液压升降杆，液压升降器通过手动压起提升或降低平台高度，调节升降高度时测量保证支撑板在水平面上，最后利用螺母在支撑板的上下表面固定锁死。此升降平台装置主要为电子预紧装置和电磁装置作支撑作用和高度调节作用。以此保证本发明设计结构可以在通用的力学试验机动静态测试时电子预紧装置和电磁装置的高度位置和稳定性；整个升降平台装置在使用时需要放置在力学实验机台面上，升降平台装置不仅起到支撑电子预紧装置和电磁装置，而且可以调节它们的工作高度达到磁流变弹性体装夹对应的高度；升降平台装置中利用支撑板结构中心位置的矩形孔使得下剪切板穿过，与上剪切板交叉，两块磁流变弹性体样件被夹持在上下剪切板中间。
测试装置为预变形和磁场作用调控下不同厚度磁流变弹性体样件的动静态力学测试。为科学实验研究提供有利的工具，测试数据可以计算得到磁流变弹性体刚度与阻尼的变化规律，不仅在减振关键器件研发方面有着广泛的用途，而且在波调控、可穿戴生物贴片，硬度可控手套、虚拟工作或触觉设备和神经刺激治疗设备等研发提供理论依据。
Claims (2)
1.一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置，其特征在于：所述测试装置包括可调夹具装置、电子预紧装置、电磁装置、升降平台装置和直流电源（16）；所述可调夹具装置包括上拉伸夹头（1）、上剪切板（2）、下剪切板（10）、下剪切板调距丝杠（11）、下剪切板固紧螺母（12）、压紧片（13）、固接螺母（14）、下拉伸板（21）和下拉伸夹头（22）；所述上拉伸夹头（1）和下拉伸夹头（22）分别固夹在力学试验机的上下两个作动器上，上拉伸夹头（1）与上剪切板（2）焊接；所述调距丝杠（11）穿过两个下剪切板（10）的下端孔，并通过下剪切板固紧螺母（12）和压紧片（13）装配锁死；所述下拉伸夹头（22）与下拉伸板（21）焊接为一体，其位于拉伸板平面中心处；所述电子预紧装置包括两个电子尺丝杠顶杆（4）、右电子尺行程表（5）、右电子尺滑轨（6）、左电子尺行程表（18）和左电子尺滑轨（19）；右电子尺行程表（5）、右电子尺滑轨（6）和电子尺丝杠顶杆（4）组装后设置于下剪切板（10）的一侧，左电子尺行程表（18）、左电子尺滑轨（19）和电子尺丝杠顶杆（4）组装后设置于下剪切板（10）的另一侧；所述电磁装置包括磁路蜿蜒特性电磁铁（3）、高斯传感器探头（15）和高斯计数显表（17），高斯传感器探头（15）与控制电路的高斯计数显表（17）相连，磁路蜿蜒特性电磁铁（3）的磁感线路径从左侧极面出发沿铁芯环绕到右侧极面，可调夹具装置位于磁路蜿蜒特性电磁铁（3）两极面的间隙中；所述升降平台装置包括升降平台支撑板（7）、升降平台固定螺母（8）、四个液压升降杆（9）、和液压升降器（23）；所述四个液压升降杆（9）的一端与液压升降器（23）组装在一起，四个液压升降杆（9）的另一端穿过平台支撑板（7）后通过升降平台固定螺母（8）锁死。
2.根据权利要求1所述的一种预紧可调的磁流变弹性体剪切动静态力学测试装置，其特征在于：所述上剪切板（2）、下剪切板（10）、上拉伸夹头（1）和下拉伸夹头（22）分别由高强度铝合金制成。
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