CN117825191A - 用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，包括夹具，夹具包括上下对称布置的上夹具与下夹具，所述上夹具与下夹具均包括左钳口与右钳口，所述左钳口与右钳口相对布置，所述左钳口与右钳口上均布置有防屈曲部，左右相对布置的两个防屈曲部之间为样品置入空间，所述防屈曲部与样品的相对面为平面；四个所述防屈曲部高低上下相对交错布置，交错布置的两个第一防屈曲部的侧表面预设有配合应变控制引伸计的刀口的通孔，交错布置的两个第二防屈曲部的高度于小于所述第一防屈曲部的高度。本发明通用性强，不需要螺栓紧固与样品连接，隔片种类少，应变控制时，可在样品平行段平面安装应变控制引伸计。

Description

用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及金属或非金属薄板疲劳性能测试技术领域，特别在涉及压-压、拉-压方式疲劳试验过程中，防止试验机上加持的厚度低于3mm的金属或非金属薄板样品在试验过程中发生屈曲变形的试验装置。

背景技术

现代工程领域，在低碳环保及循环再生材料的背景下，各种金属及非金属板材，常见如热轧钢板、冷轧钢板、镀铝锌钢板、镀铝钢板、不锈钢板、铝合金板、高强度玻璃纤维板、复合碳纤维板等金属及非金属板材大量的应用于制造各种承重件或是装饰件。基于全生命周期观念、低碳战略、节约理念、安全理念，开发新产品或已有产品迭代或产品结构设计改进，已成为现代产品的设计或改进的基本思路。为验证在不降低或不影响部件功能的前提下，当更换材料种类或是使用高强材料替代现有材料(减薄材料或减少材料用量)，或使用再生材料(如再生塑料、再生铝)代替原有材料是否会影响产品的可靠性及安全性，薄片材料的疲劳耐久项目是考核产品可靠性测试的关键项目。

可靠性是指产品在一定时间或条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。可通过可靠度、失效率还有平均无故障间隔等来评价产品的可靠性。而且这是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使之数量化，这样才能进行精确的描述和比较。疲劳寿命是对可靠性进行量化考量的最直接最有效的指标。通过表征材料的疲劳寿命，可以用于预估产品的寿命、指导产品的设计缩短产品的开发流程。

表征材料疲劳寿命的三种主流方法：S-N法(Stress-Life法，应力-寿命和全寿命法)、E-N法(Strain-Life法，局部应变法，裂纹萌生法和应变寿命法)、LEFM法(裂纹扩展法)。S-N法和E-N法是汽车行业评估寿命方法中最常用的方法，其中S-N法适合考量材料承受低应力、中高频率载荷下的疲劳特性，E-N法适用于考量材料承受低频率、高应变载荷的疲劳特性。

在材料的疲劳性能测试中，常用的国家标准有：GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》和GB/T 26077-2021《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》、GB/T43111-2023《炭素材料疲劳试验轴向力控制方法》、GB/T33837-2017《玻璃纤维涂覆制品拉-拉疲劳性能的测定》、GB/T 35465.4-2020《聚合物基复合材料疲劳性能测试方法第4部分：拉-压和压-压疲劳》。

GB/T 3075应力控制疲劳主要用于测定承受载荷在屈服点以下的高周疲劳，构建承受拉拉载荷或拉压载荷，试验时，设备控制器根据力值传感器反馈力值信号，控制疲劳载荷。根据经验2.5mm及以下厚度的样品在承受，测试疲劳周次一般在10⁵～10⁷。

GB/T 26077-2021应变控制疲劳主要用于测定承受载荷接近或超过屈服点的低周疲劳，被测构建承受拉压复合载荷，测试疲劳周次一般在10³～10⁵。

疲劳试验机是一种主要用于测定金属及非金属材料在室温或特定环境状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。疲劳试验机用于进行测定金属、非金属、合金材料及其构件在室温或特定环境状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。

疲劳试验是指通过材料实验测定材料的疲劳寿命，绘制材料的S-N曲线或E-N曲线，进而评价材料疲劳特性的方法。根据材料测试需求，疲劳试验的控制方式可分为应力控制和应变控制两种，根据测试需求，试验载荷可以为正值也可以为负值。

应力控制疲劳试验力加载方式分为以下几种形式：

1、拉-拉疲劳：最大及最小疲劳试验力均为正值，应力比(最大试验应力/最小试验应力)为正值；

2、压-压疲劳：最大及最小疲劳试验力均为负值，应力比(最大试验应力/最小试验应力)为正值；

3、拉-压疲劳：最大试验力为正值，最小试验力为负值，应力比(最大试验应力/最小试验应力)为负值。

应变控制疲劳，需要使用引伸计控制试验应变，疲劳应变加载方式分为以下几种形式：

4、拉-拉疲劳：最大及最小疲劳试验应变均为正值，应力变(最大试验应变/最小试验应变)为正值；

5、压-压疲劳：最大及最小疲劳试验应变均为负值，应变比(最大试验应变/最小试验应变)为正值；

6、拉-压疲劳：最大试验力为正值，最小试验力为负值，应变比(最大试验应变/最小试验应变)为负值。

对于较薄样品(厚度≤2.5mm)，在施加压向应力或应变载荷的过程中，样品容易发生刚度失稳从而发生屈曲现象，导致测试无效，GB/T 3075-2008和GB/T26077-2021标准中建议使用下图1所示工装防止试验过程中样品发生屈曲失效，图1中，300为聚四氟乙烯薄膜，400为试样。

此装置在实际工作中有很大的局限性，具体如下：

(1)工装通用性弱：对于不同平行段尺寸的样品需要单独定制与之匹配的的工装，样品尺寸需要根据原料尺寸和实际应用需求实时调整，因此单个工装的通用性不强；

(2)工装与样品需要螺栓紧固连接影响试验精度：工装使用时，为减小防屈曲工装与样品之间的摩擦力，需要先在工装与样品之间增加聚四氟乙烯薄膜垫片，再使用紧固螺栓穿过工装连接孔，将两侧垫有聚四氟乙烯薄膜的样品夹持在中间，不同的样品，螺栓的拧紧力矩需要根据经验控制，紧固不足会导致在试验过程中防屈曲工装滑动起不到防屈曲作用，紧固过大会增大工装与样品间的摩擦力，造成测试误差。根据以往测试经验，不同被测材料、不同应变范围的样品，连接螺栓的紧固扭矩都需要有调整，严重影响测试周期和样品测试成功率；

(3)配套多规格试验隔片引入较大摩擦：需要加工多种厚度规格与样品厚度相匹配的聚四氟乙烯隔片，在试验过程中隔片不可避免的与样品紧密接触，试验中存在较大的摩擦力，摩擦力直接影响疲劳试验力的控制精度；

(4)引伸计安装受限影响控制精度：由于样品平面处安装防屈曲工装，因此如需进行应变控制疲劳试验时，应变控制引伸计只能安装在样品厚度方向的侧面，对于2.5mm以下的较薄样品，引伸计刀口与样品接触面小，难以精确进行应变控制，样品测试过程中失控比例很高，难以精准的完成试验测试。

现阶段汽车行业在轻量化背景下，高强塑薄钢板使用率大幅度提高，疲劳寿命是影响零部件寿命和安全的关键指标，为提升测试精度，缩减测试周期，急需研发一种新的防屈曲试验装置，解决上述不足。

发明内容

本发明的目的是为克服现有上述的技术中的缺陷，而提供一种用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，旨在解决传统防屈曲装置的通用性差，工装与样品需要螺栓紧固连接会影响试验精度，配套多规格试验隔片会引入较大摩擦，以及引伸计安装受限会影响控制精度的缺点。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，包括用于安装于试验机上且对样品进行夹持试验的夹具，所述夹具包括上下对称布置的上夹具与下夹具，所述上夹具与下夹具均包括左钳口与右钳口，所述左钳口与右钳口相对布置，所述左钳口与右钳口上均布置有防屈曲部，左右相对布置的两个防屈曲部之间为样品置入空间，所述防屈曲部与样品的相对面为平面；四个所述防屈曲部高低上下相对交错布置，交错布置的两个第一防屈曲部的侧表面预设有配合应变控制引伸计的延长刀口的通孔，用于使应变控制引伸计的刀头在样品的宽度方向上与样品线接触，交错布置的两个第二防屈曲部的高度于小于所述第一防屈曲部的高度。

其中，所述防屈曲部包括防屈曲基部，所述防屈曲基部的外表面套设有高分子聚合物材质的隔离套管。

其中，所述防屈曲部的内侧面与所述左钳口/右钳口的内侧面在一同平面，所述隔离套管的厚度等于所述防屈曲基部与的内侧面与所述左钳口/右钳口的内侧面的距离。

其中，所述防屈曲基部的内侧面与外侧面为平面，所述内侧面与外侧面在两端通过弧形面相连接，形成两端为圆头的扁平状的结构。

其中，所述高分子聚合物材质的套管由高分子聚合物材质的管体压扁平后套在所述防屈曲基部上形成。

其中，所述管体压扁平套在所述防屈曲基部上，用螺栓与所述防屈曲基部固定，所述防屈曲基部以及管体上预制有固定用的螺栓孔以及配合延长刀头的刀头孔。

其中，所述左钳口与右钳口与其上的防屈曲基部为固定结构。

其中，所述应变控制引伸计通过钢丝扣安装固定，所述钢丝扣布置于上夹具与下夹具之间，夹持于相对布置的两上防屈曲部之间。

其中，所述应变控制引伸计的刀头后部设置有安装孔，所述钢丝扣的一端伸入所述安装孔中，与所述应变控制引伸计连接。

其中，所述应变控制引伸计包括两个刀头，所述钢丝扣为两个，对应配合两个所述刀头。

本发明改变现有技术中防屈曲夹具与样品通过紧固连接的模式，将防屈曲部与试验用的钳口固定连接，优化了防屈曲装置需要与样品厚度和宽度相配合的弊端，提升了装置的通用性。

本发明改变现有技术中防屈曲夹具与样品通过紧固连接的模式，将防屈曲部与试验用的钳口固定连接，避免了试验过程中时刻根据样品的材料特性和疲劳试验载荷调整原方案中防屈曲装置紧固扭矩的关键步骤，减小了此项目对测试人员经验的依赖。

本发明改变现有技术中在样品厚度方向的侧面安装应变控制引伸计的方式，采用上下夹具的左右钳口上高度不对称形式安装的防屈曲部，防屈曲部上预留引伸计安装孔，将应变控制引伸计安装在样品宽度方向的平面上，应变控制引伸计与样品的接触形式从现有技术方案中的点接触变更为线接触，大幅度提升应变疲劳控制精度。

总之，本发明用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，通用性强，装置不需要螺栓紧固与样品连接，隔片种类少，需要应变控制时，可以在样品平行段平面安装应变控制引伸计，从而克服了背景技术中的相应的缺陷。

附图说明

图1是现有技术下防止试验过程中样品发生屈曲失效的工装的示意图。

图2-图5是本发明的用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置的轴测、主视、侧视以及俯视下的示意图。

图6为本发明的疲劳试验夹具的单面的钳口及其上防屈曲部的安装结构图。

图7为本发明的聚四氟乙烯管体形成两种扁平结构的示意图。

图8为本发明的疲劳试验夹具有单边夹具与样品的配合安装示意图。

图9为本发明的疲劳试验夹具中样品和应变控制引伸计的安装示意图。

图10-图11为本发明的设有较矮防屈曲部的防屈曲的侧视及主视示意图。

图12是图10的A-A剖面视图。

图13是图10、图11的右钳口的俯视图。

图14是图11的B-B剖面视图。

图15是图10、图11的右钳口的轴测视图。

图16-图17是本发明的设有较高防屈曲部的钳口的侧视及主视示意图。

图18-图20分别为图16、图17的钳口俯视图、图17的B-B剖面视图以及图16的A-A剖面视图。

图21是图16、图17的钳口的轴测图。

图22-图25分别为本发明的配合较矮的防屈曲部的聚四氟乙稀套管的主视、侧视、俯视以及轴测示意图。

图26-图29分别为为本发明的配合较高防屈曲部的聚四氟乙稀套管的主视、侧视、俯视以及轴测示示意图。

图30-图33分别为本发明的应变控制引伸计固定用钢丝扣的主视、侧视、轴距以及俯视示意图；

图34-图37分别为本发明的带延长刀口的应变控制引伸计的主视、侧视、俯视以及轴测示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图37所示，本发明实施例的用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，包括用于安装于试验机上且对样品进行夹持试验的夹具100，所述夹具包括上下对称布置的上夹具101与下夹具102，所述上夹具与下夹具均包括左钳口1与右钳口2，所述左钳口与右钳口相对布置，所述左钳口与右钳口上均布置有防屈曲部5，左右相对布置的两个防屈曲部之间为样品置入空间，以放入待处理的样品200(薄板)，所述防屈曲部5与样品200的相对面为平面；四个所述防屈曲部高低上下相对交错布置，交错布置的两个第一防屈曲部的侧表面预设有配合应变控制引伸计的刀口的通孔55，用于使应变控制引伸计3的延长刀头32在样品的宽度方向上与样品200线接触，交错布置的两个第二防屈曲部的高度于小于所述第一防屈曲部的高度。

本发明设计防屈曲部替代传统防屈曲装置，将防屈曲部安装在对应的钳口上，不需要与样品连接即起到到防屈曲作用，避免了需要使用紧固螺栓将防屈曲装置与样品连接的问题，消除了人员经验对测试精度及测试成功率的影响，从而解决传统夹具通用性差的问题；而且通过设置配合试验机的钳口，将防屈曲部安装在钳口上，防屈曲部不需要与样品直接配合，摆脱防屈曲装置需要配合样品尺寸的缺陷。

一些实施例下，所述防屈曲部包括防屈曲基部，所述防屈曲基部的外表面套设有高分子聚合物材质的隔离套管，所述防屈曲部的内侧面57与所述左钳口/右钳口的内侧面103在一同平面，所述隔离套管的厚度等于所述防屈曲基部与的内侧面与所述左钳口/右钳口的内侧面103的距离，该厚度或是距离为1mm左右，优选为1mm，也就是说是隔离套管的厚度为1mm。通过直接将隔离套管套在防屈曲部上固定，克服了传统技术下采用多种聚四氟乙烯隔片与样品紧固连接，不可避免产生较大试验摩擦阻力的问题。以较高的第一防屈曲部为例，其具有第一防屈曲基部51以及套在所述其外部的第一隔离套管套管51，以较矮的第二防屈曲部为例，其具有第二防屈曲基部54以及套在所述其外部的第二隔离套管套管53，参见图6所示。

一些实施例下，本发明中，所述防屈曲基部的内侧面与外侧面为平面，所述内侧面与外侧面在两端通过弧形面相连接，形成两端为圆头的扁平状的结构。

作为一个优选的实施例或是实施方式，所述高分子聚合物材质的隔离套管由高分子聚合物材质的管体6压扁平后套在所述防屈曲基部上形成。优选的所述的高分子聚合物材可以为聚四氟乙烯，具体实施时，可以是先定制1mm厚聚四氟乙烯的套管，套管内径尺寸满足套管压扁到与防屈曲块相同厚度时，能刚好套在扁平状的防屈曲部上，从而实现本发明的目的，当然不限于其它实施例。

作为一个优选的实施例或是实施方式，为了对所述套体套在所述防屈曲部上固定，防止试验过程中移动，在所述管体压扁平套在所述防屈曲基部上，用螺栓7(参见图8所示)与所述防屈曲基部固定，为此，所述防屈曲基部以及管体上预制有固定用的螺栓孔56，可以是预先在聚四氟乙烯的套管上加工出与防屈曲部相匹配的孔洞，包括螺栓孔以及刀头通孔，如第二隔离套管套管53上成型的第二螺栓孔531，在第一隔开套套管51形成第一螺栓孔522以及刀头配合孔521，在螺栓孔的位置使用紧固螺钉将聚四氟乙烯套管固定在防屈曲部上，聚四氟乙烯套管与防屈曲部连接，与被测样品之间的接触从紧固连接变为平面搭接，大幅度降低试验摩擦力，提高疲劳应力控制精度。

作为一个优选的实施例，所述左钳口与右钳口与其上的防屈曲基部为固定结构，如一体加工成型或焊接连接在一起。

作为一个优选的实施例，所述应变控制引伸计通过钢丝扣4安装固定，所述钢丝扣布置于上夹具与下夹具之间，夹持于相对布置的两上防屈曲部之间。

作为一个优选的实施例，所述应变控制引伸计的刀头后部设置有安装孔32，所述钢丝扣的一端伸入所述安装孔中，与所述应变控制引伸计连接。

一个优选的实施下，所述应变控制引伸计包括两个刀头31，所述钢丝扣为两个，对应配合两个所述刀头。

本发明中，所述上夹具、下夹具的左钳口、右钳口上安装的防屈曲部，采用左右高度不对称形式，在较高的防屈曲部中部加工腰型孔，腰型孔的宽度和高度大于应变引伸计装夹需要尺寸，应变控制引伸计延长刀口，刀口带钢丝扣卡接安装孔，使用高强度钢丝扣卡接代替传统的橡皮筋固定，应变控制引伸计通过钢丝扣固定在样品宽度方向的平面上，应变控制引伸计与样品的接触形式从现有技术方案中的点接触变更为线接触，大幅度提升应变疲劳控制精度，从而解决传统夹具需要将应变控制引伸计安装在样品厚度方向的侧面，引伸计与样品接触面积小，控制精度低，容易产生测试失效的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；

因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，包括用于安装于试验机上且对样品进行夹持试验的夹具，所述夹具包括上下对称布置的上夹具与下夹具，所述上夹具与下夹具均包括左钳口与右钳口，所述左钳口与右钳口相对布置，所述左钳口与右钳口上均布置有防屈曲部，左右相对布置的两个防屈曲部之间为样品置入空间，所述防屈曲部与样品的相对面为平面；四个所述防屈曲部高低上下相对交错布置，交错布置的两个第一防屈曲部的侧表面预设有配合应变控制引伸计的刀口的通孔，用于使应变控制引伸计的延长刀头在样品的宽度方向上与样品线接触，交错布置的两个第二防屈曲部的高度于小于所述第一防屈曲部的高度。

2.根据权利要求1所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述防屈曲部包括防屈曲基部，所述防屈曲基部的外表面套设有高分子聚合物材质的隔离套管。

3.根据权利要求2所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述防屈曲部的内侧面与所述左钳口/右钳口的内侧面在一同平面，所述隔离套管的厚度等于所述防屈曲基部与的内侧面与所述左钳口/右钳口的内侧面的距离。

4.根据权利要求3所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述防屈曲基部的内侧面与外侧面为平面，所述内侧面与外侧面在两端通过弧形面相连接，形成两端为圆头的扁平状的结构。

5.根据权利要求4所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述高分子聚合物材质的隔离套管由高分子聚合物材质的管体压扁平后套在所述防屈曲基部上形成。

6.根据权利要求5所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述管体压扁平套在所述防屈曲基部上，用螺栓与所述防屈曲基部固定，所述防屈曲基部以及管体上预制有固定用的螺栓孔以及配合延长刀头的刀头孔。

7.根据权利要求2所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述左钳口与右钳口与其上的防屈曲基部为固定结构。

8.根据权利要求1所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述应变控制引伸计通过钢丝扣安装固定，所述钢丝扣布置于上夹具与下夹具之间，夹持于相对布置的两上防屈曲部之间。

9.根据权利要求8所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述应变控制引伸计的刀头后部设置有安装孔，所述钢丝扣的一端伸入所述安装孔中，与所述应变控制引伸计连接。

10.根据权利要求8所述用于金属/非金属薄板防屈曲疲劳试验装置，其特征在于，所述应变控制引伸计包括两个刀头，所述钢丝扣为两个，对应配合两个所述刀头。