CN211553631U - 材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，属于材料疲劳性能测试技术领域。该装置包括支撑系统、加载系统和辅助系统，其中：所述的支撑系统是用来支撑和固定样品与辅助系统，避免样品在往复加载过程中发生移动和载荷过零时产生间隙，包括主支撑件、副支撑件和连接杆；所述加载系统用来给样品施加过零循环载荷，包括主加载件、加载块和连接杆，主加载件下端加工两个螺孔；所述辅助系统包括挡板、定位件，挡板用来保证副支撑件不发生偏移，定位件保证实验时样品位置始终位于夹具中心。本实用新型解决了常规三点弯曲实验不能加载过零力的问题，通过巧妙设计即可实现对称或脉动弯曲疲劳实验，装置可以反复使用，成本较低，操作方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及材料疲劳性能测试装置技术领域，具体涉及一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置。
背景技术
目前，90％服役金属结构件和零部件的失效行为是由于疲劳造成的，特别是一些关键构件，如：内燃机缸盖和连杆、飞机起落架、高压容器和核反应堆外壳等，重大安全事故时有发生，因而材料的疲劳性能越来越受到科技工程界关注。而一些构件(例如缸盖和连杆)在服役过程中会受到变弯曲应力作用，甚至是对称应力(过零)，所产生的失效行为属于弯曲疲劳。在材料疲劳试验过程中，一般弯曲夹具只能进行压压疲劳，而不能用于对称或过零弯曲疲劳。因此，为了满足服役工况的要求，需要特别设计夹具进行对称弯曲疲劳。
实用新型内容
为了解决常规三点弯曲疲劳夹具不能进行过零实验的问题，本实用新型的目的在于提供一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，通过巧妙设计可以在常规疲劳试验机进行对称和脉动三点弯曲实验，也可以改装成四点弯曲，成本较低，操作方便，还可以长期反复使用。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，包括支撑系统、加载系统和辅助系统；其中：
支撑系统：包括主支撑件、副支撑件和连接杆Ⅰ；所述主支撑件具有内腔，所述内腔用于放置副支撑件和三点弯曲样品；所述主支撑件的底部设有连接杆Ⅰ，连接杆Ⅰ与疲劳试验机的下夹头相连接；
加载系统：用于给样品加载过零的循环往复的力，包括主加载件、加载块和连接杆Ⅱ；所述主加载件为横截面为矩形的柱状结构，主加载件的下端加工通槽，通槽的两个侧壁上均分别开设上通孔和下通孔，两个侧壁上的上通孔与下通孔的位置相对应(即两个上通孔的圆心连线垂直于通槽侧壁，两个下通孔的圆心连线垂直于通槽侧壁)；所述上通孔和下通孔为方形，且下通孔比上通孔略大一些；所述上通孔和下通孔内用于放置所述加载块；所述主加载件的顶部设有连接杆Ⅱ，所述连接杆Ⅱ用于与疲劳试验机的上夹头相连接；
辅助系统：包括挡板和定位件，所述挡板为两对，每对挡板关于竖直线呈对称关系，当副支撑件嵌于主支撑件内腔后，两对挡板分别固定在所述主支撑件的前面两侧和后面两侧，用于保证副支撑件在实验过程中位置不发生偏移；所述定位件为L形结构(包括宽轴端和窄轴端)，共两个，在挡板将副支撑件固定后，两个定位件的一端(宽轴端)伸入主支撑件和副支撑件之间并分别与三点弯曲样品的两端面贴合，同时两个定位件的另一端(窄轴端)分别固定在所述主支撑件前面的两个挡板上；所述定位件的作用是保证实验时样品的位置始终位于夹具中心(实验装置中心)。
所述副支撑件能够嵌于所述主支撑件的内腔中，主支撑件与副支撑件之间的间隙用于放置三点弯曲样品。
所述主支撑件内腔下底面上设置一对圆弧形凸块作为支点，与副支撑件下底面上设置的一对圆弧形凸块相对应，上下两对圆弧形凸块之间用于固定三点弯曲样品；所述副支撑件下底面与主支撑件的内腔下底面的中心位置各开设一个同尺寸的矩形槽，每对圆弧形凸块分居于每个矩形槽的两侧；所述副支撑件嵌于所述主支撑件的内腔且放置样品后，副支撑件的上表面及侧表面均与主支撑件的内腔表面相贴合。
所述主支撑件及副支撑件的上表面均开孔，所述主加载件的下端经由主支撑件及副支撑件上表面上的孔伸入主支撑件及副支撑件上的矩形槽内。
所述弧形凸块的直径和跨距与样品相关，需满足GB/T 232-2010。
所述主支撑件上设有螺纹孔，将副支撑件嵌于所述主支撑件内腔并固定好试验样品后，通过主支撑件上的螺纹孔将四个挡块固定在主支撑件上，四个挡块上设有相应的螺纹孔；所述挡块上还设有用于固定定位件的螺纹孔。
所述的主支撑件顶部加工一定数量对称且贯穿的螺孔，拧入螺钉来调节样品两端的紧固力。
所述连接杆Ⅰ上设有外螺纹，试验机的下夹头设有内螺纹，通过所述连接杆Ⅰ与所述下夹头的螺纹配合连接实现主支撑系统与试验机下夹头的装配。
所述主加载件底部加工两个螺栓孔，打入螺栓用来与加载块配合施加过零循环载荷；所述连接杆Ⅱ上设有外螺纹，试验机的上夹头设有内螺纹，通过所述连接杆Ⅱ与所述上夹头的螺纹配合连接实现加载系统与试验机上夹头的装配。
所述挡板上加工六个螺孔，其中的四个螺孔用于安装在主支撑件上，另两个螺孔用来安装定位件。
本实用新型装置还包括螺钉，支撑系统和加载系统需要与螺钉配合使用，用于去除样品的间隙，所述螺钉还用于固定挡板和定位件。
本实用新型设计原理及使用过程如下：
(1)通过支撑系统的两对凸起的光滑过渡圆弧来紧固样品的两端，其紧固力大小可以通过调节支撑系统顶部的螺栓来调整。这使得样品不会在往复加载中发生移动。而两个加载块的紧固使样品中段受力，其大小可以通过调节主加载件底部的螺栓来调节。这样就达成了三点弯曲的受力条件。
(2)将副支撑件放入主支撑件内腔里并将辅助系统全部装好后，将主支撑件通过连接杆连接入疲劳试验机的下夹头中，并拧紧下压盘。同样地，将主加载件通过连接杆连接入疲劳试验机的上夹头中，并拧紧上压盘。
(3)通过操控疲劳试验机，将主加载件缓缓进给入两个挡板之间。在能完全在主加载件方形孔的地方插入加载块是位置停下，在上方的方形孔内插入加载块，通过疲劳试验机的遥控，将主加载件缓缓进给使插入的加载块接触到样品。
(4)在下方的方形孔内插入另一个加载块，通过调节螺栓使加载块接触样品。
本实用新型的优点和有益效果如下：
本实用新型装置通过两边各一对凸起的圆弧作为支点和一对加载块作为加载点实现了三点弯曲的受力条件。通过调节支撑系统顶部的螺栓来调节样品两端支撑点所受的紧固力，进而达到固定样品的作用；通过调节加载系统底部的螺栓来调节加载块，进而调节样品加载点所受的力。螺栓的紧固程度大小合适，一方面保证样品无间隙，另一方面不能产生过大应力进而在样品表面产生压痕。本实用新型解决了在现有疲劳试验机上常规夹具不能进行对称或过零载荷疲劳试验的问题。
附图说明
图1为本实用新型实验装置支撑系统中主支撑件的主视图。
图2为本实用新型实验装置支撑系统中主支撑件的侧视图。
图3为本实用新型实验装置支撑系统中副支撑件的主视图。
图4为本实用新型实验装置加载系统中主加载件的主视图。
图5为本实用新型实验装置加载系统中主加载件的侧视图。
图6为本实用新型实验装置加载系统中一对加载块的主视图。
图7为本实用新型实验装置加载系统中一对加载块的侧视图。
图8为本实用新型实验装置辅助系统中一对挡板的结构示意图。
图9为本实用新型实验装置辅助系统中定位件的结构示意图。
图10为本实用新型实验装置的装配图(主视图)。
图11为本实用新型实验装置的装配图(侧视图)。
图中：1-主支撑件；2-副支撑件；3-连接杆Ⅰ；4-圆弧形凸块；5-主加载件；6-上通孔；7-下通孔；8-连接杆Ⅱ；9-通槽；10-加载块；11-挡板；12-定位件；121-宽轴端；122-窄轴端。
具体实施方式
为进一步理解本实用新型，以下结合实施例对本实用新型进行描述，但实施例仅为对本实用新型的特点做进一步阐述，而不是对本实用新型权利要求的限制。
本实用新型提供一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其结构如图1-11所示。该实验装置包括支撑系统、加载系统和辅助系统；各部分具体结构如下：
支撑系统：用于支撑和固定样品与辅助系统，避免样品在往复加载过程中发生移动和载荷过零时产生间隙，所述支撑系统包括主支撑件1、副支撑件2和连接杆Ⅰ3，主支撑件1和副支撑件2配合使用；所述主支撑件1具有内腔，副支撑件2能够嵌于主支撑件的内腔中，主支撑件与副支撑件之间的间隙用于放置三点弯曲样品。主支撑件的底部设有连接杆Ⅰ3，连接杆Ⅰ3上加工外螺纹，与疲劳试验机的下夹头的内螺纹配合装配在一起。
加载系统：用于给样品加载过零的循环往复的力(过零循环载荷)，包括主加载件5、加载块10和连接杆Ⅱ8；所述主加载件为横截面为矩形的柱状结构，主加载件的下端开设通槽，通槽的两个侧壁上均分别开设上通孔6和下通孔(方形孔)7。两个侧壁上的上通孔6与下通孔7的位置相对应(即两个上通孔的圆心连线垂直于通槽侧壁，两个下通孔的圆心连线垂直于通槽侧壁)；所述上通孔和下通孔内用于放置所述加载块10，所述加载块成对使用，加载块10形状是一面为凸起弧面的长方体结构；在装配好夹具后，加载块从主加载件上的方形孔插入。通过主加载件底部螺栓松紧的调节达到紧固样品的作用。所述的主支撑件和主加载件松紧度需要试验前调解到合适程度，保证样品即无间隙又不能产生太大压痕。所述主加载件的顶部设有连接杆Ⅱ8，连接杆Ⅱ8上加工外螺纹，用于将连接杆Ⅱ装配在疲劳试验机的上夹头上。
辅助系统：包括挡板11和定位件12，所述挡板11为两对(4个)，每对挡板关于竖直线呈对称关系，当副支撑件嵌于主支撑件内腔后，两对挡板分别固定在所述主支撑件的前面两侧和后面两侧，用于保证副支撑件在实验过程中位置不发生偏移；所述定位件12为L形结构(包括宽轴端和窄轴端)，共两个，在挡板将副支撑件固定后，将两个定位件安装在挡板外侧，具体为：两个定位件的宽轴端121伸入主支撑件和副支撑件之间并分别与三点弯曲样品的两端面贴合，同时两个定位件的窄轴端122分别固定在所述主支撑件前面的两个挡板上；所述定位件的作用是保证实验时样品的位置始终位于夹具中心。
所述主支撑件内腔下底面上设置一对光滑过渡圆弧形凸块4作为支点，与副支撑件下底面上设置的一对圆弧形凸块4相对应，上下两对圆弧形凸块4之间用于放置三点弯曲样品；上下两对支点需对齐设置，避免样品在往复加载过程中发生移动和载荷过零时产生的间隙；同时所述副支撑件下底面与主支撑件的内腔下底面的中心位置各开设一个同尺寸的矩形槽，每对圆弧形凸块分居于每个矩形槽的两侧；所述弧形凸块(与样品接触点)的直径和跨距与样品相关，需满足GB/T 232-2010。
所述副支撑件嵌于所述主支撑件的内腔且放置样品后，副支撑件的上表面及侧表面均与主支撑件的内腔表面相贴合。
所述主支撑件及副支撑件的上表面均开孔，所述主加载件的下端经由主支撑件及副支撑件上表面上的孔伸入主支撑件及副支撑件上的矩形槽内。
所述主支撑件的前后表面各加工一定数量的螺栓孔，将副支撑件嵌于所述主支撑件内腔并固定好试验样品后，通过主支撑件上的螺纹孔将四个挡块固定在主支撑件上，四个挡块上设有相应的螺纹孔；所述挡块上还设有用于固定定位件的螺纹孔(定位件上也设有相应螺纹孔)。
所述的主支撑件顶部加工一定数量的螺栓孔(对称且成对出现)，用来坚固样品，通过拧入螺钉调节样品两端的紧固力。避免在往复加载过程中样品发生移动和载荷过零时产生的间隙。
所述主加载件底部加工两个螺栓孔(一对对称且贯穿的螺栓孔)，通过拧入螺栓用来与两加载块配合施加过零循环载荷；通过调节螺栓松紧来调整加载块对样品中段的受力大小。
所述挡板上加工六个螺孔，其中的四个螺孔用于将挡板安装在主支撑件上，另两个螺孔用来安装定位件，所述挡板、定位件与副支撑件共同作用以避免样品在往复加载过程中发生移动和载荷过零时产生的间隙；所述定位件的宽轴端用来保证样品位于夹具中央，窄轴端上面有两个螺栓孔用来安装在挡板上。
本实用新型装置中，支撑系统(主支撑件和副支撑件)和加载系统(主加载件和两个加载块)需要与螺钉配合使用，用于去除样品的间隙。螺钉还用来固定挡板和定位件。
本实用新型的上述加载系统安装在试验机夹头上后，调整主加载件上的上下通孔的朝向使其能插入两个档板的空间当中。通过控制疲劳试验机，将主加载件向下缓缓进入到所述两个档板的空隙当中。如图10-图11所示。
在主加载件下降到能使加载块自由进出上下通孔的合适位置后，将一个加载块插入到上通孔内，调整夹头位置使加载系统上加载块与样品接触后，再将另一个加载块放进下通孔内。在保持样品不受力的前提下，紧固主支撑系统顶部的螺栓和主加载件底部的螺栓。其装配完毕后的样子如图10-图11所示。设置相关参数后进行疲劳测试。
实施例1
采用本实用新型装置，在疲劳试验机上，对一个长方体样品进行对称三点弯曲疲劳测试。具体测试过程举例如下：
(1)该样品的材料为金属材料，样品尺寸按照GB/T 232-2010进行加工，宽W、高H和长L。
(2)根据样品尺寸设计夹具，根据GB/T 232-2010结合样品尺寸设计支撑系统支点跨距；根据样品尺寸和静态抗弯强度选择合适载荷的疲劳试验机。
(3)安装好支撑系统和主加载件。将副支撑件抬起后，把样品水平地放入副支撑件和主支撑件的空间中，使样品贴紧定位件。通过控制疲劳试验机夹头将主加载件下降到能自由插入加载块的合适位置时，先将一个加载块插入上面的孔里，并在上加载块与样品接触后，将另一个加载块插入到下面的孔里，并保持设备显示载荷为零。紧固主支撑件顶部的螺栓，再紧固主加载件底部的螺栓，期间保证加载块是水平的。通过不断调试，找出合适的螺栓紧固力，一是保证样品与夹具无间隙，二是保证样品压痕不能太大。
(4)设置相关参数进行疲劳测试。在室温下用疲劳试验机用进行相关试验。
Claims (10)
1.一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：该实验装置包括支撑系统、加载系统和辅助系统；其中：
支撑系统：包括主支撑件、副支撑件和连接杆Ⅰ；所述主支撑件具有内腔，所述内腔用于放置副支撑件和三点弯曲样品；所述主支撑件的底部设有连接杆Ⅰ，连接杆Ⅰ与疲劳试验机的下夹头相连接；
加载系统：用于给样品加载过零的循环往复的力，包括主加载件、加载块和连接杆Ⅱ；所述主加载件为横截面为矩形的柱状结构，主加载件的下端加工通槽；通槽的两个侧壁上均分别开设上通孔和下通孔，其位置相对应；所述上通孔和下通孔为方形，所述上通孔和下通孔内用于放置所述加载块；所述主加载件的顶部设有连接杆Ⅱ，所述连接杆Ⅱ用于与疲劳试验机的上夹头相连接；
辅助系统：包括挡板和定位件，所述挡板为两对，每对挡板关于竖直线呈对称关系，当副支撑件嵌于主支撑件内腔后，两对挡板分别固定在所述主支撑件的前面两侧和后面两侧，用于保证副支撑件在实验过程中位置不发生偏移；所述定位件为L形结构，共两个，在挡板将副支撑件固定后，两个定位件的一端伸入主支撑件和副支撑件之间并分别与三点弯曲样品的两端面贴合，同时两个定位件的另一端分别固定在所述主支撑件前面的两个挡板上；所述定位件的作用是保证实验时样品的位置始终位于夹具中心。
2.根据权利要求1所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述副支撑件能够嵌于所述主支撑件的内腔中，主支撑件与副支撑件之间的间隙用于放置三点弯曲样品。
3.根据权利要求1或2所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述主支撑件内腔下底面上设置一对圆弧形凸块作为支点，与副支撑件下底面上设置的一对圆弧形凸块相对应，上下两对圆弧形凸块之间用于固定三点弯曲样品；所述副支撑件下底面与主支撑件的内腔下底面的中心位置各开设一个同尺寸的矩形槽，每对圆弧形凸块分居于每个矩形槽的两侧；所述副支撑件嵌于所述主支撑件的内腔且放置样品后，副支撑件的上表面及侧表面均与主支撑件的内腔表面相贴合。
4.根据权利要求3所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述主支撑件及副支撑件的上表面均开孔，所述主加载件的下端经由主支撑件及副支撑件上表面上的孔伸入主支撑件及副支撑件上的矩形槽内。
5.根据权利要求3所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述弧形凸块的直径和跨距与样品相关，需满足GB/T232-2010。
6.根据权利要求1所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述主支撑件上设有螺纹孔，将副支撑件嵌于所述主支撑件内腔并固定好试验样品后，通过主支撑件上的螺纹孔将四个挡块固定在主支撑件上，四个挡块上设有相应的螺纹孔；所述挡块上还设有用于固定定位件的螺纹孔；
所述主支撑件顶部加工一定数量对称且贯穿的螺孔，用拧螺钉来调节样品两端的紧固力。
7.根据权利要求1所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述连接杆Ⅰ上设有外螺纹，试验机的下夹头设有内螺纹，通过所述连接杆Ⅰ与所述下夹头的螺纹配合连接实现主支撑系统与试验机下夹头的装配。
8.根据权利要求1所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述主加载件底部加工两个螺栓孔，拧入螺栓用来与加载块配合施加过零循环载荷；所述连接杆Ⅱ上设有外螺纹，试验机的上夹头设有内螺纹，通过所述连接杆Ⅱ与所述上夹头的螺纹配合连接实现加载系统与试验机上夹头的装配。
9.根据权利要求1所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：所述挡板上加工六个螺孔，其中的四个螺孔用于安装在主支撑件上，另两个螺孔用来安装定位件。
10.根据权利要求1所述的材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置，其特征在于：该实验装置还包括螺钉，支撑系统和加载系统需要与螺钉配合使用，所述螺钉还用于固定挡板和定位件。
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Cited By (1)
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| CN110686989A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-01-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置 |
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Cited By (2)
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| CN110686989A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-01-14 | 中国科学院金属研究所 | 一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置 |
| CN110686989B (zh) * | 2019-11-20 | 2024-08-16 | 中国科学院金属研究所 | 一种材料对称加载三点弯曲疲劳实验装置 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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