CN115867777A - 试验夹具和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明的试验夹具使用仅能在1个轴向激振的振动发生装置，同时对供试件施加多个轴向的激振力，并且能容易地改变各轴向的激振力的比率。包括：与振动发生装置连接并在z轴方向上进行激振的振动发生装置连接部(1)；与所述振动发生装置连接部(1)连接，并在与所述z轴方向交叉的x轴方向上呈悬臂状地延伸的第一振动板(2)；与所述第一振动板(2)的x轴方向端部附近连接，并在与所述z轴方向和所述x轴方向交叉的y轴方向上呈悬臂状地延伸的第二振动板(3)；以及设置有供试件，并经由所述第一振动板(2)和所述第二振动板(3)从所述振动发生装置连接部(1)接收振动的供试件设置部(5)，所述第一振动板(2)和所述第二振动板(3)中的至少一个具有长度调节机构(6)。

Description

试验夹具和试验方法

技术领域

本发明涉及试验夹具和试验方法。

背景技术

有一种被称为HALT(Highly Accelerated Limit Test：高加速极限试验)的试验技术，在产品的设计阶段给试制品施加温度、振动等过大的负荷，在将该试制品产品化时能够早期掌握脆弱的部位。作为适用于上述试验技术的试验装置，例如，能够同时负荷多轴方向的随机振动和温度突变的HALT装置已被产品化。

另一方面，仅可在1个轴方向振动的振动发生装置也得到广泛普及，主要被使用于验证产品对振动的可靠性。作为与能够沿1个轴方向振动的振动发生装置及其试验夹具相关的技术，例如已知有专利文献1、2所记载的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2000-055777号公报

专利文献2：日本专利特开2000-258290号公报

专利文献3：日本专利特开平10-073512号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

通常，在HALT试验时使用HALT专用装置。HALT专用装置不仅装置本身价格昂贵，而且一般在冷却装置或急剧改变试验环境温度时，会消耗大量液态氮和电力，因此与使用1轴的试验装置的情况相比，存在为了进行评价而花费的成本变高的问题。因此，存在想要以更低的成本进行评价的要求。

与此相对地，已知根据产品的故障模式，在多个轴方向上同时激振的情况下，与在各1个轴方向激振的情况相比，寿命会缩短的现象。另外，根据产品的不同，即使不使用HALT专用装置，也可以使用例如专利文献3所记载的试验装置进行试料评价。

专利文献3中公开了一种试验装置，该试验装置使用在一个方向上对试料进行激振并测量激振强度的振动试验器，将试料安装在倾斜的夹具上，通过在一个方向上进行激振，在试料上施加竖直方向上的分力的激振力和水平方向上的分力的激振力，从而能提取出脆弱部位。通过这种试验装置，能降低用于评价的成本。

然而，在专利文献3的试验装置中，存在难以独立地调节施加到试料的竖直方向上的激振力和水平方向上的激振力的问题。因此，期待一种为了提取脆弱部位，通过安装在仅能在1个轴方向激振的振动发生装置上，能在多个轴方向上同时对试料进行激振，另外，能容易地以各种比率改变各轴方向的激振力的试验夹具。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种试验夹具及试验方法，其使用仅能在1个轴方向上进行激振的振动发生装置，对供试件同时施加多个轴方向上的激振力，并且能够容易地改变各轴方向上的激振力的比率。

用于解决技术问题的技术手段

为了解决上述问题，代表性的本发明的试验夹具中的一个包括：

振动发生装置连接部，该振动发生装置连接部能与振动发生装置连接，并在z轴方向上进行激振；

第一振动板，该第一振动板与所述振动发生装置连接部连接，并在与所述z轴方向交叉的x轴方向上呈悬臂状地延伸；

第二振动板，该第二振动板与所述第一振动板的x轴方向端部附近连接，并在与所述z轴方向和所述x轴方向交叉的y轴方向上呈悬臂状地延伸；以及

供试件设置部，该供试件设置部能用于设置供试件，并经由所述第一振动板和所述第二振动板从所述振动发生装置连接部接收振动，

所述第一振动板和所述第二振动板中的至少一个具有长度调节机构。

发明效果

根据本发明，能提供一种试验夹具及试验方法，其使用仅能在1个轴方向上进行激振的振动发生装置，对供试件同时施加多个轴方向上的激振力，并且能够容易地改变各轴方向上的激振力的比率。

上述以外的技术问题、结构以及效果通过以下实施方式的说明来进一步明确。

附图说明

图1是表示实施方式1的试验夹具的结构的概要立体图。

图2是示出长度调节机构的示例的图。

图3是示出长度调节机构的示例的图。

图4是振动试验开始前的侧视示意图。

图5是振动试验过程中的变形图。

图6是示出二维材料力学模型的图。

图7是二维材料力学模型的变形图。

图8是二维材料力学模型中的第一振动板的变形图。

图9是示出二维材料力学模型的图。

图10是示出有限元分析模型的图。

图11是示出有限元分析结果的图。

图12是示出有限元分析结果的图。

图13是示出有限元分析结果的图。

图14是示出有限元分析结果的图。

图15是示出有限元分析模型的图。

图16是示出有限元分析结果的图。

图17是示出有限元分析结果的图。

图18是示出有限元分析结果的图。

图19是示出实施方式2的试验夹具的结构的概要立体图。

具体实施方式

以下，适当地参照附图，对用于实施本发明的优选的实施方式进行说明。但是，本发明并不限定于在此列举的实施方式，在不变更要旨的范围内能够进行适当的组合或改良。

本说明书中，“振动板的有效长度”在振动板的两端接合有另一个振动板的情况下，是指振动板的轴线彼此相交的点之间的距离，在振动板一端与振动发生装置连接部或供试件设置部接合、且振动板的另一端与另一个振动板接合的情况下，是指振动板的轴线在一端侧与接合部相交的点与在另一端侧与另一个振动板的轴线相交的点之间的距离。此外，“长度调节装置”是指用于调节振动板的有效长度的装置。

另外，在以下的实施方式中，以x轴方向、y轴方向、z轴方向相互正交的情况(直角坐标系)为例进行说明，但是，即使在x轴方向、y轴方向、z轴方向倾斜交叉的情况(斜交坐标系)中，也能够同样适用。

《实施方式1》

图1是示出试验夹具的结构的概要立体图。试验夹具100由振动发生装置连接部1、第一振动板2、第二振动板3、第三振动板4和供试件设置部5构成。振动发生装置连接部1使用螺栓等连接到能够在1个轴方向上进行激振的振动发生装置9(参照图4、图5)。

这里，将竖直方向设为z轴方向，将与z轴方向正交的方向设为x轴方向和y轴方向。x轴方向和y轴方向相互正交。

第一振动板2与振动发生装置连接部1相邻地连接，与振动发生装置的振动方向(z轴方向)正交并在x轴方向上呈悬臂状地延伸。第二振动板3连接到第一振动板2的端部附近并在y轴方向上呈悬臂状地延伸。第三振动板4连接到第二振动板3的端部附近并沿z轴方向延伸。也就是说，第一振动板2、第二振动板3、第三振动板4彼此正交。供试件设置部5位于第三振动板4的端部附近，能使用螺栓等固定作为试验对象的供试件。

由于试验夹具100的质量越小且刚度越高，则共振频率越大，更容易避免试验夹具在试验频段中的共振，因此优选使用比重较小且刚度较高的材料作为其材料。另外，优选为使用能够抑制由于振动试验时的负荷引起的变形、破损和疲劳破坏的具有足够强度和疲劳强度的材料。

作为试验夹具100的素材，例如可以使用铁、铝或以它们为主要成分的合金等金属、或FRP(Fiber Reinforced Plastics：纤维增强塑料)等复合材料。金属一般具有加工性好的优点。另一方面，复合材料虽然比重一般较小，但具有刚度和强度较高的优点。

第一振动板2、第二振动板3和第三振动板4的截面形状除了如图1所示的实心的长方形以外，也可以是内部具有空腔的方形或H字型。在截面为实心长方形的情况下，例如具有容易确保紧固用螺纹孔等且加工和安装容易的优点。另一方面，截面为方形、H字型的情况下，与实心长方形的情况相比，具有刚度不会大幅降低而能减小质量的优点。

第一振动板2、第二振动板3和第三振动板4中的至少一个具有长度调节机构6。长度调节机构6是用于在连接从振动发生装置连接部1到供试件设置部5的路径中相对地改变第一振动板2、第二振动板3和第三振动板4各自的有效长度的机构。

图2、图3示出长度调节机构6的一个示例。例如，如图2所示，在第一振动板2中设置有与第二振动板3相对的长孔状的孔(也称为长孔，以下相同)12，使在前端形成外螺纹的销(也称为紧固件)14通过孔12拧入第二振动板3的内螺纹孔中，通过牢固地紧固销14来固定相对于第一振动板2的位置。通过松开销14并允许沿着长孔状的孔12相对移动，可以使第二振动板3相对于第一振动板2的长边方向移动。通过该机构，能改变连接从振动发生装置连接部1到供试件设置部5的路径中的第一振动板2的有效长度。由销14和孔12构成长度调节机构6。也可以使用通用螺栓代替销作为紧固件。

同样地，在第二振动板3上设置有与第二振动板3相对的长孔状的孔13，使在前端形成外螺纹的销15通过孔13拧入第三振动板4的内螺纹孔中，并通过牢固地紧固销15来固定相对于第二振动板3的位置。通过松开销15并允许沿着长孔状的孔13相对移动，可以使第三振动板4相对于第二振动板3的长边方向移动。通过该机构，能改变连接从振动发生装置连接部1到供试件设置部5的路径中的第二振动板3的有效长度。由销15和孔13构成长度调节机构6。

图3是仅示出第三振动板4附近的侧视图。例如，如图3所示，通过组合两个构件4a、4b形成第三振动板4。上侧的构件4a中连续设置有厚板部4c、从厚板部4c向下方突出的薄板部4d。另外，下侧的构件4b连续设置有厚板部4e、以及薄板部4f，该薄板部4f从厚板部4e向上方突出并与薄板部4d可滑动地进行面接触。厚板部4c、4e的厚度相等，薄板部4d、4f的厚度相等，并且是厚板部4c、4e的厚度的1/2。

在薄板部4d中设置与薄板部4f相对并沿上下方向延伸的长孔状的孔16，使在前端形成外螺纹的销17通过孔16拧入到薄板部4f的内螺纹孔中，通过牢固地紧固销17来固定位置。通过松开销17，允许沿着长孔状的孔16进行相对移动，从而能改变第三振动板4的厚板部4c、4e彼此之间的距离，由此能改变第三振动板4的全长，即有效长度。由销17和孔16构成长度调节机构6。

这里，示出了长度调节机构6的一个示例，但是，图3所示的机构可以应用于第一振动板2或第二振动板3。另外，虽然在图2和图3中示出了通过松开销14、销15、销17来改变各构件的位置的示例，但是例如也可以在与该销14、销15、销17相当的部位设置致动器，从而能够调节各构件的相对位置。在这种情况下，在振动试验时的激振负荷下确保可靠性以使致动器不损坏成为问题，但具有即使在振动试验中途也可以使致动器动作，进行有效长度调节的优点。

使用图4、图5说明试验夹具100的动作。图4是振动试验开始前的侧视示意图，图5是从图4的状态实施振动试验时的某瞬间变形形状的示意图。为了容易理解地说明，放大变形量进行显示。

如图4所示，试验夹具100中，一端侧的振动发生装置连接部(图4中未图示)与振动发生装置9连接并呈L字形延伸，另一端侧的供试件设置部(图4中未图示)上安装有供试件7。振动发生装置9由振动部9a和振动发生装置主体9b构成。在振动试验过程中，如图5所示，振动部9a仅沿z轴方向振动。但是，如图5所示，由于试验夹具100中产生弯曲变形，因此在供试件7中，不仅产生z轴方向分量的加速度，还产生x轴方向分量的加速度。

同样地，试验夹具100在与纸面垂直的y轴方向上也弯曲变形，并且在供试件7上产生y轴方向分量的加速度。如上所述，通过使用试验夹具100，通过仅能在1个轴方向上进行激振的振动发生装置9，能够同时向供试件7施加多个轴方向的激振力。

为了在x轴、y轴、z轴方向分别产生相同量级大小的加速度，需要根据供试件7的质量、试验夹具100的材质来决定适当的夹具尺寸。另外，如果在试验频段中发生共振，则仅在特定频率下产生过大的加速度，无法实施此次目的的试验，因此也需要适当地决定夹具的共振频率。

以下，说明适当的夹具尺寸的决定方法。首先，为了便于理解，考虑xz坐标系的二维情况，说明在x轴方向、z轴方向分别产生相同量级的加速度，并且避免在试验频率内的共振的方法。

图6是用材料力学模型简单地示出xz坐标系中的试验夹具100的示意图。由于只考虑xz坐标系的变形，在此省略与纸面垂直方向上存在的第二振动板3。假设供试件7为质点。用梁表示的第三振动板4和第一振动板2连接到供试件7。第一振动板2的端部通过固定端11约束变形，并对螺栓连接到振动发生装置的状态进行建模。

图7示出在振动试验中的某一瞬间，产生与图5同样的变形时的模型形状。u_ze是由振动发生装置的激振而产生的固定端11的z轴方向位移。第一振动板2在挠曲角θ和挠曲量u_z处弯曲变形，随之，在供试件7中还发生x轴向位移u_x。

图8仅显示了图7所示的模型中的第一振动板2。此时，如果预先将作用于第一振动板2的前端的载荷设为P₁，则根据材料力学中的梁变形的基础式，可以表示为u_z＝P₁L₁ ³/(3EI₁)，θ＝P₁L₁ ²/(2EI₁)。其中，L₁是第一振动板2的有效长度，E是第一振动板2和第三振动板4的杨氏模量，I₁是第一振动板2的截面二次矩。

此外，若预先将第三振动板4的有效长度设为L₃，则当θ足够小时，u_x＝L₃θ成立。对于u_x、u_z而言，u_ze足够小，u_x＝u_z成立时，根据L₃P₁L₁ ²/(2EI₁)＝P₁L₁ ³/(3EI₁)，L₃＝2L₁/3。也就是说，通过设定L₁、L₃以使L₃＝2L₁/3这一关系成立，能在x轴方向以及z轴方向分别产生相同量级的加速度。

图9是将供试件7和第三振动板4的质量相加，作为合成质量10用质点表示的模型。如果将图7所示的第一振动板2变形的模式理解为图9的针的振动的1次模式，则固有振动频率f_n表示为f_n＝1/(2π)√(3EI₁/(M+m₁/4)/L₁ ³)。其中，M是合成质量10的质量，m₁是第一振动板2的质量。由此，只要该f_n不包含在试验频率中即可。

例如，考虑将供试件7的质量设为m₀＝0.5kg，将第一振动板2和第三振动板4的材质设为密度7.85g/cm³、杨氏模量为200GPa的铁，试验频段为1000Hz以下的情况。在这种情况下，如果将第一振动板2和第三振动板4的截面形状设为实心的长方形，例如，L₁＝90mm，L₃＝60mm，第一振动板2和第三振动板4各自的板厚t₁、t₃设为t₁＝t₃＝30mm，板宽b＝100mm，从而共振频率变为1390Hz，不属于试验频率范围，因此满足上述条件。

图10示出了用于验证的有限元分析中使用的分析模型。用固定端11约束变形，对供试件设置部5等分布地设定质量m₀＝0.5kg，给整个模型施加z轴方向的加速度。

图11中示出了x轴方向、y轴方向和轴方向上的加速度的响应倍率。在y轴方向几乎不产生加速度，在x轴方向及z轴方向产生同等的加速度。另外，共振频率如推定的那样，超过了1000Hz。

图12中示出了图11所示的z轴方向和x轴方向上的响应倍率之比。在材料力学模型的计算中，由于没有考虑由于实际结构厚度对变形的影响等，因此响应比正好与1.0不一致，但在试验频段1000Hz以下的范围内约为0.8，按计划，能够验证x轴方向和z轴方向分别产生了相同量级的加速度。

通过改变L₁、L₃，能在x轴方向和z轴方向上分别以任意比率产生加速度。这个比率称为响应比。在图13、图14中示出响应比的示例。

图13是L₁＝100mm，L₃＝75mm时的有限元分析结果。可以将z轴方向、x轴方向的响应比设为1.0。图14是L₁＝100mm，L₃＝75mm时的有限元分析结果。根据图14，可以将z轴方向和x轴方向的响应比设为约0.5。

到这里已经对xz坐标系的二维情况进行了说明，xyz坐标系的三维情况也可以用同样的方法决定合适的试验夹具的尺寸。将二维研究中忽略的第二振动板3的变形理解为与图8相同的梁的弯曲，将在梁的前端产生的载荷设为P₂，同样，挠曲量u_z2＝P₂L₂ ³/(3EI₂)，挠曲角θ₂＝P₂L₂2/(2EI₂)，供试件7的y轴方向位移u_y为u_y＝L₃θ₂。其中，L₂是第二振动板3的有效长度，E是第二振动板3的杨氏模量，I₂是第二振动板3的截面二次矩。

在与二维研究相同的假设下，若考虑x轴方向、y轴方向以及z轴方向的各位移相等的情况，则u_x＝u_y＝u_z+u_z2成立。由此，L₃P₁L₁ ²/(2EI₁)＝L₃P₂L₂2/(2EI₂)＝P₁L₁ ³/(3EI₁)+P₂L₂ ³/(3EI₂)。

这里，若消去P₁、P₂进行整理，则L₃＝2(L₁+L₂)/3。也就是说，通过设定L₁、L₃以使L₃＝2(L₁+L₂)/3这一关系成立，能在x、y、z轴方向分别产生相同量级的加速度。

对于共振频率，考虑到第一振动板2变形的模式的情况下，在图9中，可以将合成质量10理解为供试件7、第二振动板3和第三振动板4的质量之和，可以使用与二维情况相同的公式。

图15中，示出在与二维研究相同的条件下，选定尺寸以使x轴方向、y轴方向以及z轴方向分别产生相同量级的加速度的夹具形状。板厚全部为30mm，L₁＝90mm，L₂＝60mm，L₃＝100mm。

对于该模型，与二维的研究相同，实施了有限元分析。用固定端11约束变形，对供试件设置部5等分布地设定质量m₀＝0.5kg，给整个模型施加z轴方向的加速度。

图16中，示出分析结果得到的x轴方向、y轴方向以及z轴方向的各方向的响应倍率。共振频率如推定的那样，超过了1000Hz。图17中示出了z轴方向和x轴方向上的响应倍率之比，图18示出了z轴方向和y轴方向上的响应倍率之比。三维的情况也与二维的情况相同，验证了x轴方向、y轴方向以及z轴方向分别产生相同量级的加速度。

《实施方式2》

图19是示出实施方式2的概要立体图。相对于实施方式1，实施方式2除了第一振动板2、第二振动板3、第三振动板4之外，还具有经由长度调节机构6连接到第三振动板4的第四振动板18。由于除此以外的结构与上述实施方式相同，因此省略重复的说明。

第四振动板18可以不与第一振动板2、第二振动板3、第三振动板4中的任何一个正交。由此，即使采用由四个以上振动板4构成的结构，也可以获得同样的效果。虽然结构变得复杂，但是可以进行更细微的调节。

标号说明

1振动发生装置连接部

2第一振动板

3第二振动板

4第三振动板

5供试件设置部

6长度调节机构

7供试件

8振动方向

9振动发生装置

9a振动部

9b振动发生装置主体

10合成质量

11固定端

12、13、16孔

14、15、17销(紧固件)

18第四振动板

100试验夹具。

Claims (12)

1.一种试验夹具，其特征在于，包括：

振动发生装置连接部，该振动发生装置连接部能与振动发生装置连接，并在z轴方向上进行激振；

第一振动板，该第一振动板与所述振动发生装置连接部连接，并在与所述z轴方向交叉的x轴方向上呈悬臂状地延伸；

第二振动板，该第二振动板与所述第一振动板的x轴方向端部附近连接，并在与所述z轴方向和所述x轴方向交叉的y轴方向上呈悬臂状地延伸；以及

供试件设置部，该供试件设置部能用于设置供试件，并经由所述第一振动板和所述第二振动板从所述振动发生装置连接部接收振动，

所述第一振动板和所述第二振动板中的至少一个具有长度调节机构。

2.如权利要求1所述的试验夹具，其特征在于，

所述长度调节机构包括：形成在所述第一振动板和所述第二振动板中的一个上的长孔、形成在所述第一振动板和所述第二振动板中的另一个上的内螺纹孔、以及具有能够拧入所述内螺纹孔的外螺纹并且能插入所述长孔的紧固件，

通过将所述紧固件的外螺纹拧入所述内螺纹孔并紧固，从而固定所述第一振动板和所述第二振动板，

通过将所述紧固件的外螺纹从所述内螺纹孔松开，所述第一振动板和所述第二振动板能沿所述长孔相对移动。

3.如权利要求1所述的试验夹具，其特征在于，

具有第三振动板，该第三振动板连接到所述第二振动板的y轴方向端部附近，并沿所述z轴方向延伸，

所述供试件设置部经由所述第一振动板、所述第二振动板以及所述第三振动板从所述振动发生装置连接部接收振动。

4.如权利要求2所述的试验夹具，其特征在于，

具有第三振动板，该第三振动板连接到所述第二振动板的y轴方向端部附近，并沿所述z轴方向延伸，

所述供试件设置部经由所述第一振动板、所述第二振动板以及所述第三振动板从所述振动发生装置连接部接收振动。

5.如权利要求4所述的试验夹具，其特征在于，

所述长度调节机构包括：形成在所述第二振动板和所述第三振动板中的一个上的长孔、形成在所述第二振动板和所述第三振动板中的另一个上的内螺纹孔、以及具有能够拧入所述内螺纹孔的外螺纹并且能插入所述长孔的紧固件，

通过将所述紧固件的外螺纹拧入所述内螺纹孔并紧固，从而固定所述第二振动板和所述第三振动板，

通过将所述紧固件的外螺纹从所述内螺纹孔松开，所述第二振动板和所述第三振动板能沿所述长孔相对移动。

6.如权利要求3所述的试验夹具，其特征在于，

所述第一振动板、所述第二振动板以及所述第三振动板中的至少一个通过将两个构件组合来形成，这两个构件分别通过连续设置厚板部和薄板部来形成，所述薄板部彼此通过所述长度调节机构来连结。

7.如权利要求4所述的试验夹具，其特征在于，

所述第一振动板、所述第二振动板以及所述第三振动板中的至少一个通过将两个构件组合来形成，这两个构件分别通过连续设置厚板部和薄板部来形成，所述薄板部彼此通过所述长度调节机构来连结。

8.如权利要求5所述的试验夹具，其特征在于，

所述第一振动板、所述第二振动板以及所述第三振动板中的至少一个通过将两个构件组合来形成，这两个构件分别通过连续设置厚板部和薄板部来形成，所述薄板部彼此通过所述长度调节机构来连结。

9.如权利要求3所述的试验夹具，其特征在于，

当所述第一振动板的有效长度设为L₁，所述第二振动板的有效长度设为L₂，所述第三振动板的有效长度设为L₃时，L₃＝2(L₁+L₂)/3成立。

10.如权利要求4所述的试验夹具，其特征在于，

当所述第一振动板的有效长度设为L₁，所述第二振动板的有效长度设为L₂，所述第三振动板的有效长度设为L₃时，L₃＝2(L₁+L₂)/3成立。

11.如权利要求5所述的试验夹具，其特征在于，

当所述第一振动板的有效长度设为L₁，所述第二振动板的有效长度设为L₂，所述第三振动板的有效长度设为L₃时，L₃＝2(L₁+L₂)/3成立。

12.一种试验方法，其特征在于，使用权利要求1至11中任一项所述的试验夹具，

通过利用所述振动发生装置在所述z轴方向上对所述振动发生装置连接部进行激振，从而向供试件施加包括所述z轴方向以外的方向的振动。

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