CN116840036A - 一种单轴拉伸试验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料力学性能测试试验技术领域，具体涉及一种单轴拉伸试验夹具，主加载机构与副加载机构相互配合，将施加在主加载机构上的单轴拉伸应力转化为相互正交的三向拉伸应力，克服了多轴拉伸试验设备需要设置独立的多轴向拉伸系统的复杂结构形式；通过设置在三个方向上的主拉杆和副拉杆将应力施加在试样上，基于三向应力的同步作用，实现对试样的三向集中应力加载；通过设置环绕副加载机构的定位环，保持试验过程中三向应力相互正交；其结构简单、易于操作、成本低廉，根据主拉杆和副拉杆的位置关系，在试样上产生相互正交的三向集中应力，适用于结构金属和合金、建筑混凝土、岩石土体等刚性材料的力学试验。

Description

一种单轴拉伸试验夹具

技术领域：

本发明属于材料力学性能测试试验技术领域，具体涉及一种单轴拉伸试验夹具，能够实现三向应力集中的状态。

背景技术：

对于结构工程材料和承力结构件来说，力学性能可靠性是决定其服役安全和寿命的重要指标。在实际服役条件下，材料和结构件除了受到简单的单轴拉伸作用外，还会处于双向或三向等复杂拉伸应力状态下，例如，当材料或结构件的局部位置存在微观缺陷或已产生微裂纹时，这些局部位置就会形成三向应力集中，限制材料的塑性变形，使得脆性增加，最终导致其早期破坏；这种局部三向应力集中状态也是结构件承载力下降、快速断裂的重要诱导因素之一。基于此，开展结构材料单元在三向应力集中状态下的弹性、塑性、强度等力学性能测试和研究是十分必要的。当前的三轴向拉伸应力作用下的测试分析方法主要包括理论分析、模拟计算和直接测试三种，其中，理论分析和模拟计算的精确性依赖于理论的完善性和输入参数的准确性，同时需要试验数据的验证；直接测试多采用专用多轴拉伸试验设备，例如，刘俊新等采用西安力创SDT-100型微机控制电液伺服土动三轴试验机对粘性土体的三轴拉压强度进行的研究；中国专利201520521378公开的一种多场耦合下原位三轴拉伸疲劳测试装置，包括三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统、热场加载子系统、悬臂压痕加载与测量子系统；所述三轴拉伸、疲劳加载与测量子系统包括：主平台、三轴拉伸的电机驱动单元、轴向移动单元、疲劳及夹具单元、可调节减震脚杯、连接平台、拉力传感器，所述主平台通过六个可调节减震脚杯进行支撑，整体放置于隔震平台上；三轴拉伸的电机驱动单元通过连接平台与轴向移动单元连接；疲劳及夹具单元通过三颗内六角螺钉a固定在轴向移动单元上，试件与压板通过两颗内六角螺钉b固定在疲劳及夹具单元上，拉力传感器一端通过螺母a固定在挡板上，另一端栓接在疲劳及夹具单元上；所述热场加载子系统包括：加热台、氮化硅陶瓷加热片，所述加热台通过内六角螺钉c与主平台相连，氮化硅陶瓷加热片插在加热台的插槽中；所述悬臂压痕加载与测量子系统包括：柔性铰链与压电陶瓷单元、悬臂梁支座、悬臂梁、挡盖、压头、销轴、可调支撑台、调节螺钉、压簧、蝶形螺母、称重传感器，所述支座通过蝶形螺母与主平台连接；柔性铰链与压电陶瓷单元通过四个内六角螺钉e与悬臂梁支座连接；悬臂梁通过销轴连接到悬臂梁支座上；称重传感器及压头安装在悬臂梁内，称重传感器的上端通过螺母b与挡盖连接；可调支撑台调节悬臂梁在自由状态时的高度，通过调整调节螺栓来调整可调支撑台的高度，可调支撑台与悬臂梁支座之间由压簧提供弹性支撑力；其三轴拉伸加载是通过电机经过两级蜗轮蜗杆减速，驱动丝杠螺母副机构带动拉伸平台实现的；中国专利201410120435公开的一种薄膜三轴拉伸试验机，包括水平双轴试验装置和Z轴拉伸试验装置；其中，所述水平双轴试验装置包括四个油缸、四个第一拉力传感器、四个第一夹具，还包括导轨、水平台架、四根第一立柱和多根角钢；所述水平台架为正交十字架，所述正交十字架的各端分别与四个所述第一立柱固定相连；四个所述油缸分别固定于所述正交十字架各端，每个所述油缸通过连杆依次与相应的所述第一拉力传感器、所述第一夹具连接；所述导轨设置在所述正交十字架表面，所述第一夹具设置在所述导轨上，且能够沿所述导轨移动；两两所述第一立柱与所述角钢固定相连；所述Z轴拉伸试验装置构建于所述水平双轴试验装置之上，包括四根第二立柱、两根框架构件、第一固定导轨梁、第二固定导轨梁、活动导轨梁、Z轴平台、第一固定板、活动杆、电动缸、第二拉力传感器和第二夹具；每根所述第二立柱的底端固定在相应的所述角钢上；所述两根框架构件和所述第二固定导轨梁焊接成一工字形整体，且与所述第二立柱的顶端固定连接，所述第一固定导轨梁平行于所述第二固定导轨，同时与所述框架构件及所述第二立柱的顶端固定连接；以及所述活动导轨梁的两端分别与所述第一固定导轨梁和所述第二固定导轨梁连接，且能够沿所述第一固定导轨梁和所述第二固定导轨梁上的导轨移动；所述Z轴平台设置在所述活动导轨梁上，且能够沿所述活动导轨梁移动；所述活动导轨梁两侧设置有所述第一固定板，所述第一固定板通过销杆与所述Z轴平台连接；所述电动缸的耳轴设置在所述Z轴平台的轴承中，所述电动缸通过活动杆与所述Z轴平台连接，所述电动缸的活塞杆沿Z轴向下穿过所述Z轴平台及所述活动导轨梁，依次与所述第二拉力传感器和所述第二夹具连接；其通过三轴控制系统使油缸和电机缸缩回并拉伸待测三维连接试件实现三轴拉伸加载。

然而，上述专利产品及现有技术中的试验装置和试验设备往往存在系统复杂、操作繁琐、造价昂贵，不能满足常规实验室测试的需要。因此，研发设计一种实现三向应力集中状态的单轴拉伸试验夹具，直接配套市售的常规单轴拉伸试验机使用，将拉伸试验机产生的单轴拉伸应力转化为互相正交的三向拉伸应力，使试样处于三向应力集中状态，以供进一步测评结构材料单元的力学性能响应特征。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种能够实现三向应力集中状态的单轴拉伸试验夹具，与市售的常规单轴拉伸试验机匹配，对试样进行三向集中应力加载。

为了实现上述目的，本发明涉及的单轴拉伸试验夹具的主体结构包括互相连接的主加载机构和副加载机构，以及对主加载机构和副加载机构进行定位的定位环；主加载机构通过主拉杆对试样进行加载，副加载机构通过副拉杆对试样进行加载。

本发明涉及的主加载机构1的主体结构包括在垂直方向上相对设置的两个单元，每个单元均包括主加载端11及其顶面设置的加载螺杆12连接，侧面设置的滑轨13，以及底面开设的加载螺孔14；滑轨13上开设有轨道槽15；副加载机构2的主体结构包括四个环绕主加载机构1的中轴线两两相对设置的单元，每个单元均包括副加载端21，及其中心设置的加载通孔22，左、右端设置的滑套23；内空式结构的滑套23开设有安装滚珠26的滚动槽25；定位环3套装在副拉杆6上，环绕副加载机构2设置，其主体结构包括四个单元，每个单元均由弧形板32，及其中心设置的通槽33，内侧设置的支撑板34组成；试样5的每个侧面中心均设置有连接螺孔51。

本发明涉及的主拉杆4的一端与加载螺孔14连接，另一端与试样5顶面或底面的连接螺孔51连接，副拉杆6的一端与试样5侧面的连接螺孔51连接，另一端穿过加载通孔22套装螺母61后由通槽33穿出，使螺母61旋紧固定在副加载端21的外侧。

本发明涉及的单轴拉伸试验夹具进行试验时，主加载机构受拉向上或向下相对移动时，主拉杆对试样产生垂直方向上的拉伸应力；同时，滑轨推挤滑套，滑套沿滑轨滑动并向外扩张，带动与副加载机构相连的副拉杆沿杆轴向向外移动，对试样产生水平方向上的拉伸应力，实现试样的相互正交的三向应力集中状态。

本发明与现有技术相比，主加载机构与副加载机构相互配合，将施加在主加载机构上的单轴拉伸应力转化为相互正交的三向拉伸应力，克服了多轴拉伸试验设备需要设置独立的多轴向拉伸系统的复杂结构形式；通过设置在三个方向上的主拉杆和副拉杆将应力施加在试样上，基于三向应力的同步作用，实现对试样的三向集中应力加载；通过设置环绕副加载机构的定位环，保持试验过程中三向应力相互正交；其结构简单、易于操作、成本低廉，根据主拉杆和副拉杆的位置关系，在试样上产生相互正交的三向集中应力，通过通槽和支撑板的限位和支撑作用，使副拉杆在试验过程中始终保持共面，并与主拉杆垂直，保持试样的相互正交的三向应力集中状态，适用于结构金属和合金、建筑混凝土、岩石土体等刚性材料的力学试验。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的主加载机构的结构原理示意图。

图3为本发明涉及的副加载机构的结构原理示意图。

图4为本发明涉及的主拉杆、副拉杆、定位环和试样的结构原理示意图。

具体实施方法：

下面结合附图并结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例涉及的单轴拉伸试验夹具的主体结构包括主加载机构1、副加载机构2、定位环3、主拉杆4、试样5和副拉杆6；主加载机构1与副加载机构2连接，定位环3对主加载机构1和副加载机构2进行定位，主加载机构1通过主拉杆4对试样5进行加载，副加载机构2通过副拉杆6对试样5进行加载。

本实施例涉及的主加载机构1的主体结构包括在垂直方向上相对设置的两个单元，每个单元均由主加载端11、加载螺杆12、滑轨13、加载螺孔14和轨道槽15组成；长方体结构的主加载端11的顶面与加载螺杆12连接，四个侧面分别与弧形结构的滑轨13连接，底面中心开设有加载螺孔14，四个滑轨13沿主加载机构1的中轴线呈90°旋转对称关系，滑轨13的内外侧面分别开设有轨道槽15，两个相对的主加载机构1的滑轨13相互交错设置。

本实施例涉及的副加载机构2的主体结构包括等间距式布置的四个单元，环绕主加载机构1的中轴线两两相对设置，并与滑轨13的位置相匹配，每个单元均由副加载端21、加载通孔22、滑套23、滑动腔24、滚动槽25和滚珠26组成；长方体结构的副加载端21的中心设置有横向的加载通孔22，右端设置有向上延伸的弧形结构的滑套23，左端设置有向下延伸的滑套23，滑套23的中心开设有弧形结构的滑动腔24，上下内壁分别开设有滚动槽25，滚动槽25内设置有若干个滚珠26；滑动腔24与相同位置处的上下两个滑轨13相匹配，滚珠26与轨道槽15相配合，以使滑轨13穿入滑动腔24，滑套23与滑轨13相对滑动。

本实施例涉及的定位环3的主体结构包括通过合页31连接的可折叠的四个单元，每个单元均由弧形板32、通槽33和支撑板34组成；弧形板32的中心设置有通槽33，内侧(通槽33的下方)设置有支撑板34，支撑板34对副拉杆6进行支撑，并限制副拉杆6在垂直方向上的位移，但不影响其沿轴向上的位移；定位环3的首尾端均设置有固定耳35，固定耳35上设置有固定螺孔36，固定螺栓37穿过两个固定螺孔36将定位环3的首尾端连接，形成环状结构。

本实施例涉及的试样5为立方体结构，每个侧面的中心均设置有连接螺孔51。

本实施例涉及的主拉杆4的一端与加载螺孔14连接，另一端与试样5顶面或底面的连接螺孔51连接；副拉杆6的一端与试样5侧面的连接螺孔51连接，另一端穿过加载通孔22套装螺母61后由通槽33穿出。

实施例2：

本实施例涉及的单轴拉伸试验夹具进行试验前的安装时：

首先，将滑轨13穿入滑动腔24中，以使两个主加载机构1和四个副加载机构2的匹配连接；

然后，将主拉杆4的一端旋入加载螺孔14中，另一端旋入试样5顶面和底面的连接螺孔51中，调整试样5的位置，使其处于两个主加载机构1中轴线的中心，完成试样5与主加载机构1的连接；

其次，将副拉杆6的一端旋入试样5侧面的连接螺孔51中，另一端穿过加载通孔22，套装螺母61后旋紧固定在副加载端21的外侧，完成试样5与副加载机构2的连接；

再次，将定位环3环绕在副加载机构2的外侧，通过通槽33套装在四个副拉杆6上，将固定螺栓37旋入7固定螺孔36，完成定位环3的旋紧固定；

最后，将加载螺杆12旋入或夹持于拉伸试验机的夹头中，完成单轴拉伸试验夹具的安装。

实施例3：

本实施例涉及的单轴拉伸试验夹具在进行试验时，根据两个主拉杆4和四个副拉杆6的相互正交的位置关系，在试样5上产生相互正交的三向集中应力，通过通槽33和支撑板34对副拉杆6的限位和支撑作用，使四个副拉杆6在试验过程中始终保持共面，且与两个主拉杆4垂直，从而保持试样5的相互正交的三向应力集中状态；具体地：按照拉伸试验机预设的程序对主加载机构1施加垂直方向上的拉伸应力，主拉杆4将该应力传导至试样5，对试样5产生垂直方向上的拉伸应力；随着主加载机构1向上和向下相对移动，滑轨13推挤滑套23，滑套23通过滚珠26与轨道槽15的配合，沿滑轨13滑动并向外扩张，由此带动与副加载机构2相连的副拉杆6沿杆轴向向外移动，对试样5产生水平方向上的拉伸应力。

Claims (10)

1.一种单轴拉伸试验夹具，主体结构包括互相连接的主加载机构和副加载机构，以及对主加载机构和副加载机构进行定位的定位环；其特征在于，主加载机构通过主拉杆对试样进行加载，副加载机构通过副拉杆对试样进行加载。

2.根据权利要求1所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，主加载机构的主体结构包括在垂直方向上相对设置的两个单元，每个单元均包括主加载端及其顶面设置的加载螺杆连接，侧面设置的滑轨，以及底面开设的加载螺孔；滑轨上开设有轨道槽。

3.根据权利要求1或2所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，副加载机构的主体结构包括四个环绕主加载机构的中轴线两两相对设置的单元，每个单元均包括副加载端，及其中心设置的加载通孔，左、右端设置的滑套；内空式结构的滑套开设有安装滚珠的滚动槽。

4.根据权利要求3所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，定位环套装在副拉杆上，环绕副加载机构设置，其主体结构包括四个单元，每个单元均由弧形板，及其中心设置的通槽，内侧设置的支撑板组成。

5.根据权利要求4所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，试样的每个侧面中心均设置有连接螺孔。

6.根据权利要求5所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，四个滑轨沿主加载机构的中轴线呈90°旋转对称关系，两个相对的主加载机构的滑轨相互交错设置。

7.根据权利要求5所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，滑套的中心开设有弧形结构的滑动腔，滑动腔与相同位置处的上下两个滑轨相匹配，滚珠与轨道槽相配合，滑轨穿入滑动腔，滑套与滑轨相对滑动。

8.根据权利要求5所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，定位环的四个单元可折叠，通过合页连接，支撑板对副拉杆进行支撑，并限制副拉杆在垂直方向上的位移；定位环的首尾端均设置有固定耳，固定耳上设置有固定螺孔，固定螺栓穿过两个固定螺孔将定位环的首尾端连接，形成环状结构。

9.根据权利要求5所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，主拉杆的一端与加载螺孔连接，另一端与试样顶面或底面的连接螺孔连接，副拉杆的一端与试样侧面的连接螺孔连接，另一端穿过加载通孔套装螺母后由通槽穿出。

10.根据权利要求5所述的单轴拉伸试验夹具，其特征在于，试验时，主加载机构受拉向上或向下相对移动时，主拉杆对试样产生垂直方向上的拉伸应力；同时，滑轨推挤滑套，滑套沿滑轨滑动并向外扩张，带动与副加载机构相连的副拉杆沿杆轴向向外移动，对试样产生水平方向上的拉伸应力，试样处于相互正交的三向应力集中状态。