[发明专利]一种用于胶粘结构疲劳寿命检测的压电驱动疲劳试验机

说明书

技术领域

本发明属于疲劳试验机技术领域，特别提供了一种用于胶粘结构疲劳寿命检测的压电驱动小载荷疲劳试验机。

背景技术

胶粘剂广泛应用于金属、陶瓷和塑料等构件的连接，胶粘结构的主要失效形式为疲劳载荷作用下胶粘剂/被粘物界面脱粘。当界面有裂纹时很容易发生失效，因此胶粘结构的疲劳寿命就是含界面裂纹胶粘接头的疲劳寿命。含裂纹胶接接头的强度很低，测试疲劳寿命时需要小载荷疲劳试验机；胶粘结构服役过程中，通常处于水、油和有机溶剂等环境介质中，疲劳试验机应包含环境舱。但是，目前还没有一种完整的能够模拟胶粘结构实际服役环境进行疲劳寿命检测的小载荷疲劳试验机。

《一种旋转弯曲腐蚀疲劳试验装置》(中国专利200810057159.1)公开了一种旋转弯曲疲劳试验装置及腐蚀液供给系统，其优点是可以实现腐蚀疲劳，但是这种试验机只能用于材料的弯曲疲劳，无法提供适于胶粘结构的拉伸疲劳载荷。

目前，胶粘结构疲劳寿命通常在用于测定金属疲劳强度的电液或电机驱动疲劳试验机上，采用图1所示的双悬臂梁试样进行，该试样用胶粘剂将两块被粘物薄板粘接在一起，形成“三明治”结构。试验开始前，在胶粘剂/被粘物界面预制一个裂纹，然后在垂直于粘接界面方向施加拉伸疲劳载荷。该方法的主要缺点是难以实现腐蚀疲劳，如果在试样周围安装环境舱，在疲劳载荷以及自重的作用下，环境舱很容易发生移位、泄露等现象，无法使待测胶粘结构处于稳定的环境介质当中。此外，该方法很难实现高周疲劳，无法模拟胶粘结构的实际服役环境，原因是含裂纹胶粘结构的抗拉强度很低，当疲劳试验机的小载荷控制精度不高时，往往形成低周疲劳。

发明内容

本发明的目的在于弥补胶粘结构疲劳试验机难以实现腐蚀疲劳和高周疲劳，无法模拟胶粘结构的实际服役环境之不足，提供一种小载荷疲劳试验机，专门用于胶粘结构疲劳寿命测试，并能够实现腐蚀疲劳。

一种用于胶粘结构疲劳寿命检测的压电驱动疲劳试验机，由摄像头、压电驱动器、标尺、样品台、驱动电源、计数器、样品台高度调节旋钮、样品台水平位置调节旋钮、框架和环境舱组成，摄像头垂直于裂纹扩展方向放置，并与电脑相连，可实时观测和记录裂纹长度。压电驱动器和待测试样置于环境舱中和标尺同时固定在样品台上，以实现胶粘结构腐蚀疲劳寿命测试，待测试样与标尺并排放置，利用标尺可得出裂纹长度a。通过调节样品台高度调节旋钮，可控制样品台的升降，将摄像头观测的图像调节清晰。通过样品台水平位置调节旋钮，可改变待测试样前后、左右的位置，便于摄像头观测裂纹。计数器与驱动电源相连，驱动电源通过电缆与压电驱动器相连，记录驱动信号中驱动脉冲的数量，换算成疲劳循环周次；试验结束时，计数器显示疲劳寿命。

待测试样为胶粘剂和被粘物形成的双层结构，将待测试样与压电驱动器相结合，形成被粘物/胶粘剂/压电驱动器的“三明治”结构，并且在胶粘剂/被粘物界面边缘，预制一个裂纹。驱动电源输出驱动信号至压电驱动器，使得驱动器产生往复运动，由于驱动器与胶粘剂层结合在一起，载荷通过胶粘剂传递至胶粘剂/被粘物界面，在垂直于粘接界面方向形成拉-拉疲劳载荷，在疲劳载荷的作用下，预制裂纹逐渐扩展，直至整个粘接界面发生脱粘。计数器与驱动电源相连，记录驱动信号中驱动脉冲的数量，然后换算成疲劳循环周次N；试验结束时，可从计数器读出疲劳寿命。疲劳载荷的大小，可以通过调节驱动信号的峰值电压和占空比来控制；疲劳载荷的频率与驱动信号的频率相等，可在驱动电源进行调节；载荷谱可以通过改变驱动信号的波形(方波、正弦波或三角波等)进行调节。摄像头与电脑相连，通过与试样并排放置的标尺，实时记录裂纹扩展长度a，绘制a-N曲线，得出裂纹扩展速率da/dN。

该试验机采用压电驱动器作为动力源，因而具有载荷控制精度高、成本低、体积小、能耗低、噪音低以及便于观测和记录等优点。具有如下技术优势：

(1)采用压电驱动器施加疲劳载荷，可实现小载荷的精确控制，能够实现胶粘结构的高周疲劳，可以更好地模拟胶粘剂的实际服役环境；

(2)设置了环境舱，能够实现胶粘结构在环境介质作用下的疲劳(腐蚀疲劳)，由于驱动器放置于环境舱中，因而环境舱稳定性强；

(3)体积小(大小与普通显微镜相当)、成本低、功耗小、结构简单；

(4)疲劳载荷和频率范围宽，支持多种载荷谱，载荷大小、频率以及载荷谱通过驱动电源上的旋钮调节，操作方便；

(5)在疲劳试验机中集成了摄像头和计数器，便于疲劳裂纹的观测和疲劳寿命的记录。

附图说明

图1是用于测试胶粘结构疲劳寿命的双悬臂梁试样

图2是本发明疲劳试验机的左视图