CN115597966A - 一种dic应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，属于精密科学仪器领域。主要由精密驱动‑传动单元、夹持单元、检测单元以及DIC光学测量单元组成。试验机的双轴加载动力由两台交流伺服电机分别提供，经过精密行星齿轮减速机、同步带轮、左右旋丝杠等传动元件，可对试样进行不同应变速率下的双轴拉伸；通过力传感器和激光位移传感器，实时测定试样在不同加载阶段的载荷‑位移信号；通过搭载DIC技术的工控机及CCD工业相机，精确获取试样在不同加载阶段的整体和局部应变信息。本试验机采用卧式结构，整体紧凑，使用方便，双轴载荷互不干扰，传动效率高，可用于精确测量材料在复杂双轴应力状况下的力学性能和本构参数。
Description
技术领域
本发明涉及精密科学仪器领域，具体地，涉及一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，该试验机可以结合数字图像相关技术对测试过程中试样的应变演化信息和断裂失效机制进行动态监测，为航空航天、汽车制造和国防军工等领域关键结构材料复杂应力状态下的力学性能和本构模型参数测量提供技术保障。
背景技术
材料在实际服役条件下，将不可避免的承受多轴载荷的作用。这种复合载荷作用也恰恰是材料在未达使用极限就发生破坏失效的原因。传统的单轴拉伸实验测量得到的数据，仅能代表材料在单轴应力状态下的力学特性，无法用于分析材料在复杂应力状态下的变形及失稳问题。如果能在材料力学性能测试中，提供一种更接近实际使用的应力状态，这样就能更加准确的获得材料在实际服役条件下的力学性能参数，这些参数对保证材料在实际服役条件下的结构安全，具有重要的参考价值。
针对上述难题，双轴双向拉伸试验是一种行之有效的方法。通过改变双轴加载比例，可以使试样处于各种复杂应力状态，进而测量其力学性能和本构模型参数。现有双轴双向拉伸试验机具有加载力大、行程大、刚度强、稳定性好的优点，但受体积限制，不具备在显微镜下原位观测的能力，配合使用的成像设备也较为昂贵，对于毫米级的小型试件安装夹持较困难；另一方面，现有技术大多采用接触式测量法进行拉伸位移测量，测试结果包含了夹具和链接结构变形，并不能精确地反映试样的真实拉伸变形量；此外，现有双轴双向拉伸试验机仅能测量包括载荷和位移在内的常规实验信息，无法得到试样的全场和局部应变，不利于材料本构模型参数的精确提取。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术所存在的不足，提供一种结构紧凑、体积小巧的双轴双向拉伸试验机，通过控制系统发送指令实现双向比例及非比例的加载，能有效解决传统拉伸测试装置体积大、难以进行原位实时动态监测以及不能充分反映材料服役工况的问题。另外，借助搭载DIC技术(数字图像相关技术)的高分辨率光学测量系统，可对毫米量级试样实施双轴双向拉伸力学性能测试，快速准确地获取十字形试样的应力应变曲线，实时动态观测试样在不同变形条件下的宏微观形貌和全场应变，精确得到材料在复杂双轴应力状况下的力学性能和本构参数，对于接近服役条件下材料的微观破坏机理的研究提供一种高效、便捷、智能化的测试装置。
本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，整体结构采用卧式布置，包括精密驱动-传动单元、夹持单元、检测单元以及DIC光学测量单元；所述精密驱动-传动单元采用两台交流伺服电机14分别作为动力源，两轴传动过程相同，交流伺服电机14通过精密行星齿轮减速机13带动同步带轮，同步带轮传动左右旋丝杠4，丝杠螺母17与螺母座18相连，螺母座18在导轨组件的支撑下输出精确双向直线运动；所述夹持单元包含四个相同的夹具座10，位于螺母座18之上，螺母座18运动时带动夹具座10对十字形试样28进行双轴拉伸；所述检测单元包含力传感器8以及激光位移测距传感器9，对十字形试样28双轴拉伸过程中的载荷和位移进行检测记录；所述DIC光学测量单元位于测试试件上方，实时处理生成十字形试样28在不同双轴拉伸阶段的整体和局部应变。
所述的精密驱动-传动单元包括两个交流伺服电机14，两个精密行星齿轮减速机13，两个减速机固定支架15，一个机架2，两个主动带轮6，两个同步带5，两个从动带轮7，四个丝杠支撑座3，两个左右旋丝杠4，四个丝杠螺母17，四个螺母座18，两个低层传动连接板20，两个高层传动连接板19，四个直线滑动导轨12，八个滑块16；两个所述交流伺服电机14分别提供驱动力，经过精密行星齿轮减速机13减速增扭后，将动力传递在两个主动带轮6上，每个主动带轮6通过所述同步带5分别带动从动带轮7，每个从动带轮7分别带动所述左右旋丝杠4，通过丝杠螺母17带动螺母座18进行直线运动从而对试件施加载荷；其中，所述交流伺服电机14与精密行星齿轮减速机13固定连接，精密行星齿轮减速机13通过减速机固定支架15安装在机架2上，两个所述主动带轮6通过键槽和顶丝分别连接夹紧精密行星齿轮减速机13的输出轴，从动带轮7通过所述同步带5连接主动带轮6，两个从动带轮7通过键槽和顶丝分别连接夹紧所述左右旋丝杠4，每个左右旋丝杠4的两端由两个所述丝杠支撑座3支撑，通过丝杠螺母17将交流伺服电机14的旋转运动转变为螺母座18的直线运动；两个所述螺母座18与四个滑块16分别固定于两个低层传动连接板20，另外两个螺母座18与其余四个滑块16分别固定于两个高层传动连接板19，所述低层传动连接板20和高层传动连接板19为夹持单元提供支撑导向。
所述的夹持单元包括四个相同的夹具座10，四个微小型滚珠线性滑轨21，四个压头27，一个十字形试样28，检测单元以及四个力传感器挡板11；其中，所述四个微小型滚珠线性滑轨21分别固定在两个低层传动连接板20和两个高层传动连接板19的上表面，所述四个相同的夹具座10的下表面分别固定连接在每个微小型滚珠线性滑轨21上，所述四个压头27通过螺栓将十字形试样28紧固在夹具座10上表面。
所述的检测单元包括四个力传感器8以及两个激光位移测距传感器9；其中，所述四个力传感器8的安装方式相同，力传感器8一端与力传感器挡板11固连，另一端与夹具座10固连，两个激光位移测距传感器9分别固定在所述夹具座10的上表面。
所述的DIC光学测量单元包括：相机固定底座26、相机支架25、CCD工业相机1、相机支撑横梁23、光源22以及光源支撑横梁24；其中，所述相机支架25固定在所述相机固定底座26上，所述光源22固定在所述光源支撑横梁24上，所述CCD工业相机1固定在所述相机支撑横梁23上，并搭载数字图像相关技术实时处理生成试样拉伸过程的全场位移和应变信息，计算得到应力应变曲线，并进一步用于材料本构模型参数标定。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的精密驱动-传动单元采用同步带轮连接左右旋丝杠的方法进行动力传递，该设计使得拉伸试验机整体结构更加紧凑，并根据加载动力以及加载速率的需求可主动调整两个带轮的传动比，进一步提高拉伸定位精度。
本发明的夹具座下方安装了微小型滚珠线性滑轨，并且两个方向上的直线滑动导轨同轴，保证了力传感器采集到的数值为试件受到的真实拉力载荷。
本发明所设计的十字形试样通过设置倒角缺口、中心区打薄等方式，确保拉伸过程中其中心区应力尽可能大且应力分布较均匀，使得在拉伸结束后断裂区域基本发生在试件中心，以获得更好的试验结果。
本发明采用数字图像相关法这一非接触式光学测量技术进行材料力学性能的检测，其具有测量范围大、精度高、受环境影响小、可以进行全场测量等优点。通过检测单元和搭载DIC技术的光学测量单元之间的同步触发，实时记录十字形试样的载荷与位移信息，进一步精确提取材料的本构模型参数。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的精密驱动-传动单元结构示意图；
图3为本发明的夹持单元结构示意图；
图4为本发明的检测单元结构示意图；
图5为本发明的DIC光学测量单元结构示意图；
图6为本发明的十字形试样结构示意图；
图中：1、CCD工业相机；2、机架；3、丝杠支撑座；4、左右旋丝杠；5、同步带；6、主动带轮；7、从动带轮；8、力传感器；9、激光位移测距传感器；10、夹具座；11、力传感器挡板；12、直线滑动导轨；13、精密行星齿轮减速机；14、交流伺服电机；15、减速机固定支架；16、滑块；17、丝杠螺母；18、螺母座；19、高层传动连接板；20、低层传动连接板；21、微小型滚珠线性滑轨；22、光源；23、相机支撑横梁；24、光源支撑横梁；25、相机支架；26、相机固定底座；27、压头；28、十字形试样。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
参见图1至图5所示，本发明的一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，整体结构采用卧式布置，包括精密驱动-传动单元、夹持单元、检测单元以及DIC光学测量单元；所述精密驱动-传动单元采用两台交流伺服电机14分别作为动力源，两轴传动过程相同，交流伺服电机14通过精密行星齿轮减速机13带动同步带轮，同步带轮传动左右旋丝杠4，丝杠螺母17与螺母座18相连，螺母座18在导轨组件的支撑下输出精确双向直线运动；所述夹持单元包含四个相同的夹具座10，位于螺母座18之上，螺母座18运动时带动夹具座10对十字形试样28进行双轴拉伸；所述检测单元包含力传感器8以及激光位移测距传感器9，对十字形试样28双轴拉伸过程中的载荷和位移进行检测记录；所述DIC光学测量单元位于测试试件上方，实时处理生成十字形试样28在不同双轴拉伸阶段的整体和局部应变。
参见图1至图3所示，所述的精密驱动-传动单元包括两个交流伺服电机14，两个精密行星齿轮减速机13，两个减速机固定支架15，一个机架2，两个主动带轮6，两个同步带5，两个从动带轮7，四个丝杠支撑座3，两个左右旋丝杠4，四个丝杠螺母17，四个螺母座18，两个低层传动连接板20，两个高层传动连接板19，四个直线滑动导轨12，八个滑块16。两个所述交流伺服电机14分别提供驱动力，经过精密行星齿轮减速机13减速增扭后，将动力传递在两个主动带轮6上，每个主动带轮6通过所述同步带5分别带动从动带轮7，每个从动带轮7分别带动所述左右旋丝杠4，通过丝杠螺母17带动螺母座18进行直线运动从而对试件施加载荷；其中，所述交流伺服电机14与精密行星齿轮减速机13固定连接，精密行星齿轮减速机13通过减速机固定支架15安装在机架2上，两个所述主动带轮6通过键槽和顶丝分别连接夹紧精密行星齿轮减速机13的输出轴，从动带轮7通过所述同步带5连接主动带轮6，两个从动带轮7通过键槽和顶丝分别连接夹紧所述左右旋丝杠4，每个左右旋丝杠4的两端由两个所述丝杠支撑座3支撑，通过丝杠螺母17将交流伺服电机14的旋转运动转变为螺母座18的直线运动；两个所述螺母座18与四个滑块16分别固定于两个低层传动连接板20，另外两个螺母座18与其余四个滑块16分别固定于两个高层传动连接板19，所述低层传动连接板20和高层传动连接板19为夹持单元提供支撑导向。
参见图3所示，所述的夹持单元包括四个相同的夹具座10，四个微小型滚珠线性滑轨21，四个压头27，一个十字形试样28，检测单元以及四个力传感器挡板11；其中，所述四个微小型滚珠线性滑轨21分别固定在两个低层传动连接板20和两个高层传动连接板19的上表面，所述四个相同的夹具座10的下表面分别固定连接在每个微小型滚珠线性滑轨21上，所述四个压头27通过螺栓将十字形试样28紧固在夹具座10上表面。
参见图4所示，所述的检测单元包括四个力传感器8以及两个激光位移测距传感器9；所述四个力传感器8的安装方式相同，力传感器8一端与力传感器挡板11固连，另一端与夹具座10固连，两个激光位移测距传感器9分别固定在所述夹具座10的上表面。
参见图5所示，所述的DIC光学测量单元包括：相机固定底座26、相机支架25、CCD工业相机1、相机支撑横梁23、光源22以及光源支撑横梁24；其中，所述相机支架25固定在所述相机固定底座26上，所述光源22固定在所述光源支撑横梁24上，所述CCD工业相机1固定在所述相机支撑横梁23上，并搭载数字图像相关技术实时处理生成试样拉伸过程的全场位移和应变信息，最终计算得到材料的应力应变曲线，并进一步用于材料本构模型参数标定。
参见图4和图6所示，本发明的一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，所述压头27与夹具座10表面均设有用于增大摩擦力的条纹，利用螺栓可以保证对十字形试样28的预紧。为确保拉伸过程中十字形试样28能够准确模拟构件受载状态，在其拉伸臂与中间区域设置倒角缺口，在中心区域设置圆形凹槽进行打薄，确保试样中心区应力尽可能大且应力分布较均匀，以获得更好的试验结果。
参见图1至图6所示，本发明的一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，在测试仪器安装前，首先需要对四个力传感器8和两个激光位移测距传感器9进行标定与校准，之后再进行仪器的安装与调试。每次实验结束之后，必须将夹具座10回归原位，以便下一次十字形试样28的装夹。
Claims (5)
1.一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，其特征在于：包括精密驱动-传动单元、夹持单元、检测单元及DIC光学测量单元；所述精密驱动-传动单元采用两台交流伺服电机(14)分别作为动力源，两轴传动过程相同，交流伺服电机(14)通过精密行星齿轮减速机(13)带动同步带轮，同步带轮传动左右旋丝杠(4)，丝杠螺母(17)与螺母座(18)相连，螺母座(18)在导轨组件的支撑下输出精确双向直线运动；所述夹持单元包含四个相同的夹具座(10)，位于螺母座(18)之上，螺母座(18)运动时带动夹具座(10)对十字形试样(28)进行双轴拉伸；所述检测单元包含力传感器(8)以及激光位移测距传感器(9)，对十字形试样(28)双轴拉伸过程中的载荷和位移进行检测记录；所述DIC光学测量单元位于测试试件上方，实时处理生成十字形试样(28)在不同双轴拉伸阶段的整体和局部应变。
2.根据权利要求1所述的一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，其特征在于：所述精密驱动-传动单元包括两个交流伺服电机(14)，两个精密行星齿轮减速机(13)，两个减速机固定支架(15)，一个机架(2)，两个主动带轮(6)，两个同步带(5)，两个从动带轮(7)，四个丝杠支撑座(3)，两个左右旋丝杠(4)，四个丝杠螺母(17)，四个螺母座(18)，两个低层传动连接板(20)，两个高层传动连接板(19)，四个直线滑动导轨(12)，八个滑块(16)；两个所述交流伺服电机(14)分别提供驱动力，经过精密行星齿轮减速机(13)减速增扭后，将动力传递在两个主动带轮(6)上，每个主动带轮(6)通过所述同步带(5)分别带动从动带轮(7)，每个从动带轮(7)分别带动所述左右旋丝杠(4)，通过丝杠螺母(17)带动螺母座(18)进行直线运动从而对试件施加载荷；所述交流伺服电机(14)与精密行星齿轮减速机(13)固定连接，精密行星齿轮减速机(13)通过减速机固定支架(15)安装在机架(2)上，两个所述主动带轮(6)通过键槽和顶丝分别连接夹紧精密行星齿轮减速机(13)的输出轴，从动带轮(7)通过所述同步带(5)连接主动带轮(6)，两个从动带轮(7)通过键槽和顶丝分别连接夹紧所述左右旋丝杠(4)，每个左右旋丝杠(4)的两端由两个所述丝杠支撑座(3)支撑，通过丝杠螺母(17)将交流伺服电机(14)的旋转运动转变为螺母座(18)的直线运动；两个所述螺母座(18)与四个滑块(16)分别固定于两个低层传动连接板(20)，另外两个螺母座(18)与其余四个滑块(16)分别固定于两个高层传动连接板(19)，所述低层传动连接板(20)和高层传动连接板(19)为夹持单元提供支撑导向。
3.根据权利要求1所述的一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，其特征在于：所述夹持单元包括四个相同的夹具座(10)，四个微小型滚珠线性滑轨(21)，四个压头(27)，一个十字形试样(28)，检测单元以及四个力传感器挡板(11)；其中，所述四个微小型滚珠线性滑轨(21)分别固定在两个低层传动连接板(20)和两个高层传动连接板(19)的上表面，所述四个相同的夹具座(10)的下表面分别固定连接在每个微小型滚珠线性滑轨(21)上，所述四个压头(27)通过螺栓将十字形试样(28)紧固在夹具座(10)上表面。
4.根据权利要求1所述的一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，其特征在于：所述检测单元包括四个力传感器(8)以及两个激光位移测距传感器(9)；所述四个力传感器(8)的安装方式相同，力传感器(8)一端与力传感器挡板(11)固连，另一端与夹具座(10)固连，从而进行拉力的传递，两个激光位移测距传感器(9)分别固定在所述夹具座(10)的上表面。
5.根据权利要求1所述的一种DIC应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机，其特征在于：所述DIC光学测量单元包括：相机固定底座(26)、相机支架(25)、CCD工业相机(1)、相机支撑横梁(23)、光源(22)以及光源支撑横梁(24)；其中，所述相机支架(25)固定在所述相机固定底座(26)上，所述光源(22)固定在所述光源支撑横梁(24)上，所述CCD工业相机(1)固定在所述相机支撑横梁(23)上，并搭载DIC技术实时处理生成十字形试样(28)双轴拉伸过程的全场位移和应变信息。
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| CN202211336523.4A CN115597966A (zh) | 2022-10-28 | 2022-10-28 | 一种dic应变测量辅助微型双轴双向拉伸试验机 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118275247A (zh) * | 2024-06-04 | 2024-07-02 | 南昌航空大学 | 一种dic辅助微细丝材应变测试装置及方法 |
-
2022
- 2022-10-28 CN CN202211336523.4A patent/CN115597966A/zh active Pending
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