[发明专利]拉伸-弯曲-扭转多载荷下的材料微观力学性能测试平台

说明书

 

技术领域

    本发明涉及机电领域，特别涉及一种拉伸-弯曲-扭转多载荷下的材料微观力学性能测试平台。本发明可作为独立拉伸/压缩模式或独立弯曲模式或独立扭转模式材料力学性能测试装置，即单一载荷测试模式；也可作为在给定拉伸/压缩应力水平下的扭转载荷的材料力学性能测试或给定拉伸/压缩应力水平下的弯曲载荷的材料力学性能测试，即复合载荷测试模式。通过控制检测模块对载荷/位移信号的采集，可检测材料在复合载荷作用下的应力应变过程。两种复合载荷的施加方式为材料的力学性质的研究提供了新的方法。

背景技术

传统的材料力学性能测试方法为拉伸法、压缩法、扭转法、弯曲法等，都是属于单一载荷模式下测量材料的各种力学性能参数。测量的各种参数都是单一载荷下的结果，而与实际应用过程中零件所承受的复杂载荷不一致，进而使得结果不具有普遍说服力。而随着现代科技的不断发展，对机械结构的性能要求越来越高，机械结构在实际工况中受到复合载荷作用的综合力学性能受到广泛的关注，其载荷的施加方式和测量方法也不断变化发展。

    拉伸-弯曲-扭转多载荷下的材料微观力学性能测试平台是指试件在两种或两种以上载荷下，通过外接控制检测仪器对载荷作用下的材料发生的变形、损伤直至失效破坏的过程进行动态监测的一种力学测试技术。在力学性能测试中，抗拉/弯强度、弹性模量、切变模量、屈服极限抗扭强度等参数集中反映了材料的综合性能。复合载荷测试可以揭示材料在实际外界载荷作用下的变形损伤规律，与单一载荷测试相比，可以发现新的现象及规律，更有利于研究材料的力学行为。

目前，拉伸-弯曲-扭转多载荷下的材料微观力学性能测试平台在国内很少见，研究观测手段尚不成熟，具体表现在：1、复合载荷施加过程中的同步性难以保证，且需要各种载荷之间的相互匹配。2、测试过程中的控制检测仪器如各种类型传感器、编码器、驱动器等会受到其余载荷的影响，测量精度难以保证。3、装置中动力元件及传动元件的布局会影响整体的尺寸结构，也关系到测量试件的尺寸形状。4、装夹试件的夹具需要考虑拉扭复合载荷的作用，同时要承受弯曲载荷，夹具设计难度较大。综上所述，设计一个结构巧妙，测试精度高的复合载荷条件下的材料力学性能测试装置来检测材料综合作用下的力学性能十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种拉伸-弯曲-扭转多载荷下的材料微观力学性能测试平台，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可集成拉伸/压缩测试、弯曲测试、扭转测试及基于上述两种单一载荷形式的复合载荷测试。测试装置由拉压模块、弯曲模块、扭转模块、控制检测模块、试件装夹模块组成。该测试装置结构巧妙，可在复合载荷模式下测试材料的各种综合力学性能。可实现拉压弯扭复合载荷模式下材料及其制品的力学性能测试，拉/压弯复合载荷测试，拉/压扭复合载荷测试，也可实现拉压弯扭单一载荷下力学性能测试。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

拉伸-弯曲-扭转多载荷下的材料微观力学性能测试平台，包括拉压模块、弯曲模块、扭转模块、控制检测模块、试件装夹模块，测试平台以拉压模块为基本功能模块，扭转模块布置在拉压模块一端，其功能可与拉压模块功能相互独立或关联，试件装夹模块布置在拉压模块上，弯曲模块独立布置在测试平台上龙门架2一侧，功能与拉压模块相互独立，控制检测模块分布在各个功能模块上；

所述拉压模块是：直流电机4带动蜗杆Ⅰ8转动，蜗杆Ⅰ8带动蜗轮Ⅰ7转动，蜗杆Ⅱ10带动蜗轮Ⅱ12转动，输出动力使双向滚珠丝杠11转动，布置在直线滚动导轨Ⅰ22上的两端支撑座相离或相向运动，实现对试件的拉伸或压缩；光电编码器3控制直流电机4的转速大小和方向，支撑蜗杆轴Ⅱ33的圆锥滚子轴承Ⅰ9承受蜗杆所受轴向力，双向滚珠丝杠11使试件进行双向拉压，保证试件所受载荷均匀对称；

所述弯曲模块是：步进电机Ⅱ23通过电机法兰Ⅲ24、挠性联轴器Ⅰ25与滚珠丝杠27连接，丝杠螺母Ⅰ28带动安装在导轨Ⅱ34上的支撑座Ⅳ35上下移动，压头31下移实现对试件的弯曲载荷，步进电机驱动器控制步进电机Ⅱ23转速的大小和方向；

    所述扭转模块是：步进电机Ⅰ17带动齿轮Ⅱ19转动，齿轮Ⅰ18与齿轮Ⅱ19啮合，齿轮Ⅰ18安装在轴43上，挠性联轴器Ⅲ42连接轴43和扭矩传感器47，挠性联轴器Ⅱ40连接扭矩传感器47和夹具固定轴Ⅰ50，扭矩传感器47固定在传感器固定座41上，夹具固定轴Ⅰ50通过法兰轴承Ⅰ、Ⅱ58、59安装在支撑座Ⅵ48上，夹具下压板Ⅰ51与夹具固定轴Ⅰ50通过螺栓连接在一起；