CN1258675C - 一种用于柔性材料的弯曲疲劳性能测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于柔性材料弯曲疲劳测量的装置，其特征在于它由曲柄滑块齿条机构、力和位移传感器、上、下夹头、定位握持器及光学对中系统、升降和转动驱动系统与控制电路，以及程序控制和信号采集系统等组成。能有效、准确地完成柔性材料定负荷或定伸长下的定点弯曲疲劳和松弛蠕变性能的测量。所测特征指标为疲劳断裂时间，疲劳极限强度及极限应变，松弛时间，试样直径或厚度等。本装置结构简单实用、安装置换方便；可调控参数多，包括试样长度、定点位置及间距、弯曲转动角及角频率、初始负荷或伸长等；测量精确，可回避弯曲中作用点的移动、试样的偏移和振荡摆动等影响。
Description
技术领域：
本发明专利涉及柔性材料(纤维、纱线、织物及膜类材料等)领域中的疲劳测量技术。
背景技术：
疲劳是指材料在长时间或反复低应力作用下的破坏，更为具体地说，疲劳是指在反复应力或应变作用下材料的损伤或破坏，或在长时间静态应力或恒定应变作用下，由材料的蠕变或松弛所产生的损伤与破坏。疲劳破坏、疲劳寿命的评价应与给定的疲劳作用方式，如拉伸、弯曲、扭转、压缩、或复合作用等，相对应来加以考虑。
疲劳的研究最初始于金属材料领域，由德国A.Wohler等人首先进行了这方面的研究探讨，指出了一些金属存在疲劳极限，并将疲劳试验结果绘成应力与循环次数关系的S-N曲线。接着美国人在这方面也进行了深入细致的研究。
关于柔性材料的疲劳概念引入、初期理论都建立在已有的金属材料的疲劳知识上的。50年代到60年代苏联人开创了这方面的研究与应用，并提出了具有普遍意义的疲劳极限。70年代日本继续发展了它，接着英国、美国，以及我国陆续开始进行了柔性材料疲劳性能的研究(Hearle，J.W.S.and Wong，B.S.J.Mater.Sci.，1977，12(12)，2447；Kawabata，S.，Kotani，T.andYamashita，Y.，J.Text.Inst.，1995，86(2)，347；Sengonul，A.and Wilding，M.A.，J.Text.Inst.，1996，87(1).13；顾伯洪，蒋素婵，姚穆，纺织纤维重复弯曲疲劳性能的研究，西北纺织工学院学报，2001，15(2)：221～224)。
在柔性材料加工和实际使用过程中，不仅会受到拉伸作用，而且会受弯曲作用。在持久或反复弯曲作用下，材料同样会因疲劳而力学性能下降，甚至更容易解体破坏(Liu，X.Y.and Yu，W.D.，Chemical Fibers International，2004，54(3)，173)。因此，材料的弯曲疲劳性能影响着其实际使用寿命，进行相关的测量与表征，不仅可为材料的选用与搭配提供参考，而且对材料的加工和使用都有重要的指导意义。
目前有许多商用疲劳试验仪，这些仪器是轴向拉压式，或经改造可进行施加载荷较大的材料弯曲疲劳测试。但这些仪器几乎无法用于如纤维、纱线、织物、高聚物膜等这样柔性材料的疲劳试验。已有的关于这些柔性材料的弯曲测试，主要集中在单面弯曲，测量指标多为材料的抗弯刚度和弯曲模量(Liu，X.Y.and Yu，W.D.Chemical Fibers International.2004，54(3).173；CN87210621U，赵志凯，毛贵庭，韩明.迭加载荷旋转弯曲疲劳试验机；JP2003307478，Ozawa Tadao，Ogawa Kazuyoshi，Osawa Masataka，YamadaAkira.Bending Fatigue Tester；GB493268，Bosch Gmbh Robert.Improvementsin or relating to machines for the fatigue testing or materials by bending；SU1045068，Rajz Mark Sh；Emelyanov Valentin P.Device for materialsfatigue-testing in pure bending；JP6207894.Iwasaki Hiroyuki.Bending staticfatigue tester for ceramics；JP58122446.Imura Tooru et al.Tester for fatigue byplane bending of thin sheet)。用于此类柔性材料的对称、定点弯曲疲劳的测量技术未见报道。
发明内容：
本发明的目的是提供一种可以进行无偏移振荡影响，可定点轴对称弯曲疲劳的测量装置，见附图1。该装置可用于纤维、纱线、织物和膜类等柔性材料的疲劳特征和松弛行为的测量。
本发明的基本原理是，采用定点双面对称弯曲原理，反复弯曲纤维、纱线、织物、或膜类等试样，得到定负荷或定伸长下的试样弯曲疲劳特征曲线，如附图2。
由于夹持试样定点弯曲时，会因定位针(附图3)直径的影响，产生多余伸长，形成附图2曲线1的波动。两个波动对应于下夹头5的左、右弯曲，故弯曲疲劳周期T0为两个波的长度。在定负荷F0(或应力σ0)作用下，材料从弯曲开始到最终断裂所需的时间tb除以T0即得到疲劳次数(或称疲劳寿命)n(n＝tb/T0)，该疲劳值亦可通过直接计数振荡波数N获得，n＝N/2。此为定负荷模式。亦可采用定伸长模式，但不适于大变形纤维。
通常，当疲劳寿命n≥105时的最大初加定负荷(或应力)称为极限强度Fc(或σc)，其取决于弯曲转动角α，故是α角的函数Fc(α)、σc(α)。当初张力F0一定时，n≥105时的最大α角为极限转动角αc，其是F0(或σ0)的函数，即αc(F0)或αc(σ0)。根据αc角，定位针直径d，可得出试样弯曲表面的极限伸长率εc。当试样在恒定伸长ε0作用下，载荷F(或应力σ)会随时间t而衰减，即应力松弛，如附图2中的曲线4，由此可得试样的松弛行为和特征值松弛时间τ。此为松弛测量模式。
本发明的一种柔性材料弯曲疲劳性能测量装置，含有一个带控制驱动电路、图像采集卡、数据采集卡、实测数据实时处理与计算程序的计算机和与该计算机相连的力、位移传感器、摄像器和步进电机。该装置是可对中移动的力传感器1、位移传感器2、悬挂于该力传感器1的上夹头3、可微调的定位握持器4、可同轴转动下夹头5、连接齿条7一端的曲柄机构8和由齿条7传动的转动盘6，置于下夹头5侧的光学对中系统9构成。
所述的光学对中系统9由平行光束光源91、中空转动轴92、长焦光学显微镜头93(光学放大倍数为10～400倍)和CCD数码摄像器94构成。
所述的步进电机受控于计算机并可带动上夹头移动，完成试样的恒定张力控制，或变化张力控制。
所述的上夹头3为悬挂于重心、重量对称的夹头，通过力传感器1的对中移动与下夹头5完成对试样的同轴夹持。
所述的下夹头5通过固定销定位和固紧于转动盘6上，下夹头5对纤维的夹持端中心可调，并以转动盘的轴心线为准转动。
位移传感器2，在施加预张力或定伸长时启动，并在测量完成后，随上夹头一起复位，实现对试样的拉伸力和位移的精确测量。
定位握持器4由可对称移动的双定位针41、微调夹持移动钮42、粗调夹持移动钮43，垂直对中移动钮44、水平对中移动钮45和固定板46构成，转动对应旋钮完成双定位针对试样的握持和对中定位时的移动。其特征在于定位握持器4装于转动盘6上，可作垂直和水平的对中移动，所述定位握持器上的两根定位针可对称移动加紧和松开，亦可单针微调移动加紧和松开试样。
转动盘6、齿条7和曲柄联杆机构8，曲柄半径可通过连接滑快的位置改变调节，由此控制齿条7的动程和确定转动盘6的正、负偏转转动角α，实现对试样不同偏转角度的弯曲疲劳。
计算机完成驱动、控制、记录、观察摄像和计算，完成试样的定负荷或定伸长反复弯曲疲劳及其特征值的测量。可以随设定的载荷要求自动移动上夹头，以保持载荷不变；亦可在达到设定位移值时，保持原位不动，给出载荷衰减曲线和其底部包络线(即松弛行为)，如附图2曲线4和曲线3。
此柔性材料弯曲疲劳性能测量装置整体尺寸小于80×100×200mm，可以安装于一般带有微力拉伸传感器(＜100cN)的拉伸仪上。
本发明的特点是：
a)能有效、准确地完成柔性材料的弯曲疲劳测量，回避试样弯曲中的振动、摇摆、非定点和非对称性，得到弯曲疲劳寿命n，疲劳极限强度Fc(或极限应力σc)，以及极限伸长率(或临界应变)εc。可采用定伸长ε0加载模式，得到试样的应力松弛曲线和松弛时间τ；可采用定负荷模式，记录试样的形变ε随时间t的变化，可得蠕变曲线。
b)本发明装置功能合理，上夹头部份完成夹持，测力和位移；定位握持器保证弯曲定点握持；齿条和转动盘完成下夹头的同轴对称转动；曲柄联杆机构完成转动角的改变；光学系统和中空轴完成弯曲点对中和测厚；驱动、控制、计算系统，可完成跟踪试样移动，曲线记录，自行采集以及特征值计算。
c)本发明装置部件简单，结构紧凑；轻便小巧，便于安装与置换，可用于常规带有微力传感器(＜100cN)的拉伸仪上。整体尺寸小于80×100×200mm。
附图说明：
图1为柔性材料的弯曲疲劳性能测量装置示意图；
图2为试验所得弯曲疲劳特征曲线；
图3为定位握持器4结构示意图；
图4为数据采集及控制系统框图。
1-力传感器 2-位移传感器 3-上夹头 4-定位握持器
41-定位针 42-微调钮 43-粗调钮 44-上下移动钮
45-水平移动钮 46-固定板 5-下夹头 6-转动盘
7-齿条 8-曲柄机构 9-光学对中系统 91-平行光束光源
92-中空转动轴 93-长焦光学显微镜头 94-CCD数码摄像器
图2中：曲线1-小转动角α时的应力曲线，曲线2-大转动角α时的应力曲线，曲线3——应力松弛曲线，曲线4-定伸长下的疲劳曲线。
图3中，
具体实施方式：
通过以下实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
本发明的装置和定位握持器结构示意图如图1和图3所示，其中数据和图像采集与处理、机构驱动控制和界面操作系统的流程框图，见附图4所示。其如前所述，先将纤维夹于上夹头3，穿过定位握持器的双定位针41间，然后夹于下夹头5；转动粗调钮43合拢双定位针41；转动上下移动钮44和水平移动钮45，并通过显微观察镜头93，调节双定位针41握持纤维点与转动盘6转动中心的一致；转动微调钮42使双定位针41接触纤维；设定预张力FO，调节曲柄机构8的曲柄半径确定弯曲转动角α和选择测量模式(定负荷、定伸长、或松弛)；启动程序开始测量纤维的弯曲疲劳。
实施例1 定负荷单纤维弯曲疲劳测试结果
预张力为3cN/dtex，芳纶(Twaron 2000)纤维的疲劳寿命测试结果为：
| 条件35°3.29cN9900 | Twaron 2000(1.68dtex)的疲劳寿命(次数)965510350 | |||||||||
| 938543453018 | 1002241604042 | 890057403760 | 896049802738 | 935630893600 | 880030152710 | 936030202360 | 35°6.58cN45°4.93cN55°3.29cN | 463041451540 | 578042001054 | 330029601100 |
由上表可以看出，在较小的比应力下(不到纤维断裂比应力的10％)和较小的转动角下，纤维弯曲疲劳破坏，均未达到常规使用的105疲劳寿命，说明芳纶类纤维尽管拉伸强度很高，但耐弯曲疲劳性较差。
实施例2 纤维的松弛测试
采用松弛应力测量模式，测量Twaron 2000(1.68dtex)松弛特征：
| 条件 | ε0＝2％ | |||||||||
| 时间t(h) | 1 | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 | 20 | 24 | 28 | 32 |
| 应力σ(cN) | 111.5 | 106.2 | 90.2 | 76.4 | 64.5 | 54.7 | 50.3 | 42.6 | 40.2 | 40.1 |
通过计算，在定伸长ε0＝2％下，该纤维的松弛时间τ为23.86h。因为应力松弛为拉伸特征，故该纤维的耐拉伸疲劳特性较好。
Claims (7)
1、一种柔性材料弯曲疲劳性能测量装置，包括一个含有控制驱动电路、图像采集卡、数据采集卡、实测数据实时处理与计算程序的计算机和与该计算机相连的力、位移传感器、摄像器和步进电机，其特征在于它由可对中移动的力传感器、位移传感器、悬挂于该力传感器的上夹头、可微调的定位握持器、可同轴转动下夹头、连接齿条一端的曲柄机构和由齿条传动的转动盘，置于下夹头侧的光学对中系统构成；
所述的光学对中系统由平行光束光源、中空转动轴、长焦光学显微镜头和摄像器构成；所述的步进电机受控于计算机并可带动上夹头移动；所述的上夹头为悬挂于重心、重量对称的夹头，并与下夹头完成对试样的同轴夹持；所述的下夹头通过固定销定位和固紧于转动盘上，下夹头和定位握持器对纤维的握持端中心可调，并以转动盘的轴心线为准转动；
所述定位握持器装于转动盘上，可作垂直和水平的对中移动，定位握持器上有两根可对称移动加紧或松开，亦可单针微调移动加紧或松开试样的定位针。
2、按照权利要求1所述装置，其特征在于所述的定位握持器由可对称移动的双定位针，粗调夹持移动钮，微调夹持移动钮，垂直对中移动钮和水平对中移动钮和固定板构成。
3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于控制齿条的动程、曲柄机构的半径手工可调。
4、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的摄像器是带光学放大镜头的CCD数码摄像器，
5、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的长焦光学显微镜头93的光学放大倍数为10～400倍。
6、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的柔性材料弯曲疲劳性能测量装置整体尺寸小于80×100×200mm。
7、按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述的柔性材料弯曲疲劳性能测量装置安装于一般带有微力拉伸传感器的拉伸仪上。
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