CN117110035A - 一种应力场及温度场环境模拟装置及加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力场及温度场环境模拟装置及加载方法，涉及机械设备载荷测试与评估技术领域。包括机体、伺服加载装置、试样紧固夹具、支点机构、传动轴、十字移动机构，所述机体的侧壁上通过连接杆转动安装有轴体，所述十字移动机构贯穿轴体且在轴体上滑动，所述支点机构包括上支点和下支点，所述上支点和下支点均由十字移动机构控制移动，所述上支点和下支点之间放置有试样；所述支点机构的端部设置有传导机构。该应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法，所使用的设备尺寸小巧且能够加载多种载荷，能够满足多领域的需求，装置不仅能够提高测试的准确性和效率，也可以降低测试成本，进一步推动这些领域的发展。

Description

一种应力场及温度场环境模拟装置及加载方法

技术领域

本发明涉及机械设备载荷测试与评估技术领域，具体为一种应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法。

背景技术

现今，许多机械设备需要在不同的载荷下进行测试和评估。例如，风机的核心组成部分风机叶片需要对其在服役环境下的性能进行测试；大型建筑物的结构工程师需要评估其在风、地震等自然灾害下的耐久性；空军需要对飞机进行各种极端条件下的模拟测试。

目前市场上已经存在一些能够加载多种载荷的装置，例如液压万能试验机和多功能振动台等。然而，这些设备通常很昂贵且体积庞大，难以适应不同领域的需求；鉴于此，我们提出了一种应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法，解决了现有设备通常很昂贵且体积庞大，难以适应不同领域的需求的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种应力场及温度场环境模拟装置，包括机体、伺服加载装置、试样紧固夹具、支点机构、传动轴、十字移动机构，所述机体的侧壁上通过连接杆转动安装有轴体，所述十字移动机构贯穿轴体且在轴体上滑动；

所述支点机构包括上支点和下支点，所述上支点和下支点均由十字移动机构控制移动，所述上支点和下支点之间放置有试样；

所述支点机构的端部设置有传导机构。

可选的，所述十字移动机构的一端可拆卸安装有伺服加载装置。

可选的，所述试样紧固夹具设置在机体的两侧，所述试样紧固夹具为螺纹夹具。

可选的，所述轴体的两端可拆卸安装有立杆，所述立杆的底部与机体的侧壁固定连接，所述立杆上贯穿且滑动安装有移动滑块，所述移动滑块呈对称状设置有两组，左侧的移动滑块的侧壁上可拆卸安装有左夹具，右侧的移动滑块的侧壁上可拆卸安装有右夹具。

可选的，所述模拟装置还包括控制机构，所述控制机构包括控温装置、压力传感器。

可选的，所述传导机构包括半导体热电头，所述半导体热电头焊接在支点机构的连接壁上，所述连接壁的端部可拆卸连接有支点头，所述连接壁的端部还可拆卸安装有温度探头。

一种应力场及温度场环境模拟装置的加载方法，所述加载方法包括以下步骤：

S1、拉伸应力场加载方法下，将试样夹持在试样紧固夹具上，计算公式如下；

F₁＝F₂＝F₃＝…＝0，F₄＝σbh

所述F₁、F₂、F₃、…为上下支点所施加的径向力，F₄为拉伸力；

S2、检测位置：试样上表面任意区域，加载结果为在试样内形成大小为σ的均匀拉伸应力场；

S3、四点弯曲加载方法，将试样夹持在试样紧固夹具上，加载及支承位置设置，上下四个支点位置分别为：x₁、x₂、x₃、x₄；

加载结果如下：在检测区域内距基准面xmm、中性层ymm处的截面弯曲应力大小为σ；

加载及支承位置设置：不设置支承，即下支点不起支撑作用；

加载力设置包括以下算法：

F₁＝F₂＝F₃＝…＝0

检测位置：试样任意位置；

加载结果，在检测区域内任意横截面内，距截面中性层ymm处的弯曲应力大小为σ；对于以上机械载荷的加载过程中，其试样的抗弯强度R_s为：

F_m为装置加载过程中上支点所施加的载荷，L为下支点的支撑跨度，b为宽度，h为试样厚度；

对于以上机械载荷的加载过程中，其试样的弯曲应变ε_s为：

F_m为装置加载过程中上支点所施加的载荷，L为下支点的支撑跨度，b为试样宽度，h为试样厚度，g为加速度常数；

S4、数据处理，对于模拟结构在服役环境下加载出的多种应力场，包括施加的机械载荷与热载荷，并通过所测得的数据来评估结构在受加载多种应力场作用下的性能。

可选的，S3步骤中所述的四点弯曲加载方法中，F₁、F₂、F₃、F₄为四个支点对应的力，其中下支点F₃＝F₄＝0，F₁可合理自由进行设置，计算公式如下：

y₄为加载点距试样中性层的距离。

可选的，弯曲与拉伸复合应力场加载方法下：用试样紧固夹具夹持试样两端，加载装置进行拉伸加载，在实验样本底部通过移动十字移动机构控制其m个下支点移动，在试样上方根据加载需求加装n个用于加载向下径向压力的上支点，并通过控制上方的十字移动机构控制这n个上支点位于试样上方平面相应的加载位置，以及控制上下移动来控制径向压力的大小，实现对试样加载复杂弯曲应力场。

可选的，所述S3还包括如下步骤：

温度应力场加载方法下，用夹具夹持试样两端，在每个支点头部分布的半导体热电头可进行温度加载；

均匀温度场加载：在试样上表面所加载的温度为T₁，在试样下表面加载的均匀温度场的温度为T₂，则检测结果为ΔT＝T₂-T₁，则热流量Q_s为：

不均匀温度场加载：根据需求，移动十字移动机构，使支点机构移动到合适位置，利用支点上的半导体热电头，制热或制冷，并测出上表面每个支点处的温度：T₁、T₂、…、T_n，以及下表面每个支点处的温度：T₁、T₂、…、T_m，则其检测结果为ΔT＝T_m-T_n；

对于以上热载荷的加载过程中，其试样的应变ε_y为：

其中L为受力后的长度，L₀为没有受力时的长度，ε_y为应变。

本发明提供了一种应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法。具备以下有益效果：

1、该应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法，所使用的设备尺寸小巧且能够加载多种载荷，能够满足多领域的需求，装置不仅能够提高测试的准确性和效率，也可以降低测试成本，进一步推动这些领域的发展。

2、该应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法，在实验样本底部通过移动十字移动机构控制其m个下支点移动，在试样上方根据加载需求加装n个用于加载向下径向压力的上支点，并通过控制上方的十字移动机构控制这n个上支点位于试样上方平面相应的加载位置，以及控制上下移动来控制径向压力的大小，以此来实现对试样加载复杂弯曲应力场，能够实现多点复杂弯曲加载应力场工作。

3、该应力场及温度场环境模拟装置及其加载方法，通过性能系数大小，判断出该结构在具体服役环境下受多种载荷情况下性能的好坏如何，进而可判断如何合理的加载应力场可使该结构的性能最佳，对应得出最好的实验数据。

附图说明

图1为本发明整体装置的结构示意图；

图2为本发明装置正视的结构示意图；

图3为本发明支点机构的结构示意图。

图中：1、轴体；2、十字移动机构；3、伺服加载装置；4、上支点；7、机体；8、下支点；9、试样紧固夹具；10、移动滑块；11、传动轴；12、控制机构；18、右夹具；22、左夹具；23、半导体热电头；24、支点头；25、温度探头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，本发明提供一种技术方案：一种应力场及温度场环境模拟装置，包括机体7、伺服加载装置3、试样紧固夹具9、支点机构、传动轴11、十字移动机构2，机体7的侧壁上通过连接杆转动安装有轴体1，十字移动机构2贯穿轴体1且在轴体1上滑动；

其中，支点机构包括上支点4和下支点8，上支点4和下支点8均由十字移动机构2控制移动，且上支点4和下支点8之间放置有试样5；在支点机构的端部设置有传导机构。在十字移动机构2的一端可拆卸安装有伺服加载装置3。试样紧固夹具9设置在机体7的两侧，试样紧固夹具9为螺纹夹具。

值得注意的是，在轴体1的两端可拆卸安装有立杆，立杆的底部与机体7的侧壁固定连接，立杆上贯穿且滑动安装有移动滑块10，移动滑块10呈对称状设置有两组，左侧的移动滑块10的侧壁上可拆卸安装有左夹具22，右侧的移动滑块10的侧壁上可拆卸安装有右夹具18。

在本实施例中，模拟装置还包括控制机构12，控制机构12包括控温装置、压力传感器，控温装置通过温度探头25对试样5的温度进行监控，压力传感器安装在支点头24与连接壁的连接处，用做对支点头24处的压力进行实时的监控，当加载垂直力到试样5上时，通过压力传感器实时监测弯曲力大小，并通过超声测距装置记录样品弯曲程度，通过这些数据来评估结构在受到多种载荷作用下的性能。传导机构包括半导体热电头23，半导体热电头23焊接在支点机构的连接壁上，连接壁的端部可拆卸连接有支点头24，连接壁的端部还可拆卸安装有温度探头25。

在机体7的底部设置有超声测距设备，对试样5在对加载应力场时，通过超声测距装置记录试样5的弯曲变形量。

本发明还提出了一种应力场及温度场环境模拟装置的加载方法，加载方法包括以下步骤：

S1、拉伸应力场加载方法下，将试样5夹持在试样紧固夹具上，计算公式如下；

F₁＝F₂＝F₃＝…＝0，F₄＝σbh；

S2、检测位置：试样上表面任意区域，加载结果为在试样内形成大小为σ的均匀拉伸应力场；

S3、四点弯曲加载方法，将试样5夹持在试样紧固夹具9上，加载及支承位置设置，上下四个支点位置分别为：x₁、x₂、x₃、x₄；

加载结果如下：在检测区域内距基准面xmm、中性层ymm处的截面弯曲应力大小为σ；

加载及支承位置设置：不设置支承，即下支点不起支撑作用；

加载力设置包括以下算法：

F₁＝F₂＝F₃＝…＝0

检测位置：试样5任意位置；

加载结果，在检测区域内任意横截面内，距截面中性层ymm处的弯曲应力大小为σ；对于以上机械载荷的加载过程中，其试样的抗弯强度R_s为：

F_m为装置加载过程中上支点所施加的载荷，L为下支点的支撑跨度，b为宽度，h为试样厚度；

对于以上机械载荷的加载过程中，其试样的弯曲应变ε_s为：

F_m为装置加载过程中上支点所施加的载荷，L为下支点的支撑跨度，b为试样宽度，h为试样厚度，g为加速度常数；

F₁、F₂、F₃、…为上下支点所施加的径向力，F₄为拉伸力；

F₁、F₂、F₃、F₄为四个支点对应的力，其中下支点F₃＝F₄＝0，F₁可合理自由进行设置，计算公式如下：

y₄为加载点距试样中性层的距离；

温度应力场加载方法下，用夹具夹持试样两端，在每个支点头部分布的半导体热电头可进行温度加载，在实验样本底部通过移动十字移动机构2控制其m个下支点移动，在试样上方根据加载需求加装n个用于加载向下径向压力的上支点，并通过控制上方的十字移动机构2控制这n个上支点位于试样上方平面相应的加载位置，以及控制上下移动来控制径向压力的大小，实现对试样加载复杂弯曲应力场；

均匀温度场加载：在试样上表面所加载的温度为T₁，在试样下表面加载的均匀温度场的温度为T₂，则检测结果为ΔT＝T₂-T₁，则热流量Q_s为：

不均匀温度场加载：根据需求，移动十字移动机构，使支点机构移动到合适位置，利用支点上的半导体热电头，制热或制冷，并测出上表面每个支点处的温度：T₁、T₂、…、T_n，以及下表面每个支点处的温度：T₁、T₂、…、T_m，则其检测结果为ΔT＝T_m-T_n；

对于以上热载荷的加载过程中，其试样的应变ε_y为：

其中L为受力后的长度，L₀为没有受力时的长度，ε_y为应变。

S4、数据处理，对于模拟结构在服役环境下加载出的多种应力场，包括施加的机械载荷与热载荷，并通过所测得的数据来评估结构在受加载多种应力场作用下的性能。

弯曲与拉伸复合应力场加载方法下：用试样紧固夹具夹持试样两端，加载装置进行拉伸加载；

具体如下：通过分析处理上述所测得的数据：

即上述的三点弯曲加载方法、四点弯曲加载方法、多点复杂弯曲加载方法、弯曲与拉伸复合应力场加载方法中已经得出的其弯曲应力σ，试样的抗弯强度R_s，样的弯曲应变ε_s，而上述热载荷应力场加载方法中得出的热流量Q_s，试样的应变ε_y。利用数值分析的方法处理以上数据。

拟合出最终的结构的性能系数：

I＝{R_s，σ，Q_s，ε_s，ε_y}

其中，I为该结构的性能系数。

通过该性能系数大小，判断出该结构在具体服役环境下受多种载荷情况下性能的好坏如何，进而可判断如何合理的加载应力场可使该结构的性能最佳。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种应力场及温度场环境模拟装置，包括机体(7)，其特征在于：还包括伺服加载装置(3)、试样紧固夹具(9)、支点机构、传动轴(11)、十字移动机构(2)，所述机体(7)的侧壁上通过连接杆转动安装有轴体(1)，所述十字移动机构(2)贯穿轴体(1)且在轴体(1)上滑动；

所述支点机构包括上支点(4)和下支点(8)，所述上支点(4)和下支点(8)均由十字移动机构(2)控制移动，所述上支点(4)和下支点(8)之间放置有试样(5)；

所述支点机构的端部设置有传导机构。

2.根据权利要求1所述的一种应力场及温度场环境模拟装置，其特征在于：所述十字移动机构(2)的一端可拆卸安装有伺服加载装置(3)。

3.根据权利要求1所述的一种应力场及温度场环境模拟装置，其特征在于：所述试样紧固夹具(9)设置在机体(7)的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种应力场及温度场环境模拟装置，其特征在于：所述轴体(1)的两端可拆卸安装有立杆，所述立杆的底部与机体(7)的侧壁固定连接，所述立杆上贯穿且滑动安装有移动滑块(10)，所述移动滑块(10)呈对称状设置有两组，左侧的移动滑块(10)的侧壁上可拆卸安装有左夹具(22)，右侧的移动滑块(10)的侧壁上可拆卸安装有右夹具(18)。

5.根据权利要求1所述的一种应力场及温度场环境模拟装置，其特征在于：所述模拟装置还包括控制机构(12)，所述控制机构(12)包括控温装置、压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种应力场及温度场环境模拟装置，其特征在于：所述传导机构包括半导体热电头(23)，所述半导体热电头(23)焊接在支点机构的连接壁上，所述连接壁的端部可拆卸连接有支点头(24)，所述连接壁的端部还可拆卸安装有温度探头(25)。

7.一种如权利要求1-6所述应力场及温度场环境模拟装置的加载方法，其特征在于：所述加载方法包括以下步骤：

S1、拉伸应力场加载方法下，将试样(5)夹持在试样紧固夹具(9)上，计算公式如下；

F₁＝F₂＝F₃＝…＝0，F₄＝σbh

所述F₁、F₂、F₃、…为上下支点所施加的径向力，F₄为拉伸力；

S2、检测位置：试样(5)上表面任意区域，加载结果为在试样(5)内形成大小为σ的均匀拉伸应力场；

S3、四点弯曲加载方法，将试样(5)夹持在试样紧固夹具上，加载及支承位置设置，上下四个支点位置分别为：x₁、x₂、x₃、x₄；

加载结果如下：在检测区域内距基准面xmm、中性层ymm处的截面弯曲应力大小为σ；

加载及支承位置设置：不设置支承，即下支点不起支撑作用；

加载力设置包括以下算法：

F₁＝F₂＝F₃＝…＝0

检测位置：试样任意位置；

加载结果，在检测区域内任意横截面内，距截面中性层ymm处的弯曲应力大小为σ；对于以上机械载荷的加载过程中，其试样的抗弯强度R_s为：

F_m为装置加载过程中上支点所施加的载荷，L为下支点的支撑跨度，b为宽度，h为试样厚度；

对于以上机械载荷的加载过程中，其试样的弯曲应变ε_s为：

F_m为装置加载过程中上支点所施加的载荷，L为下支点的支撑跨度，b为试样宽度，h为试样厚度，g为加速度常数；

S4、数据处理，对于模拟结构在服役环境下加载出的多种应力场，包括施加的机械载荷与热载荷，并通过所测得的数据来评估结构在受加载多种应力场作用下的性能。

8.根据权利要求7所述的加载方法，其特征在于：

S3步骤中所述的四点弯曲加载方法中，F₁、F₂、F₃、F₄为四个支点对应的力，其中下支点F₃＝F₄＝0，F₁可合理自由进行设置，计算公式如下：

y₄为加载点距试样中性层的距离。

9.根据权利要求8所述的加载方法，其特征在于：弯曲与拉伸复合应力场加载方法下：用试样紧固夹具(9)夹持试样(5)两端，加载装置进行拉伸加载，在实验样本底部通过移动十字移动机构(2)控制其m个下支点移动，在试样上方根据加载需求加装n个用于加载向下径向压力的上支点，并通过控制上方的十字移动机构(2)控制这n个上支点位于试样上方平面相应的加载位置，以及控制上下移动来控制径向压力的大小，实现对试样加载复杂弯曲应力场。

10.根据权利要求9所述的加载方法，其特征在于：所述S3还包括如下步骤：

温度应力场加载方法下，用夹具夹持试样(5)两端，在每个支点头(24)部分布的半导体热电头(23)可进行温度加载；

均匀温度场加载：在试样上表面所加载的温度为T₁，在试样(5)下表面加载的均匀温度场的温度为T₂，则检测结果为ΔT＝T₂-T₁，则热流量Q_s为：

不均匀温度场加载：根据需求，移动十字移动机构(2)，使支点机构移动到合适位置，利用支点上的半导体热电头，制热或制冷，并测出上表面每个支点处的温度：T₁、T₂、…、T_n，以及下表面每个支点处的温度：T₁、T₂、…、T_m，则其检测结果为ΔT＝T_m-T_n；

对于以上热载荷的加载过程中，其试样的应变ε_y为：

其中L为受力后的长度，L₀为没有受力时的长度，ε_y为应变。