專利名稱：一種能夠均勻施加軸向壓縮和剪切載荷的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于航空強度測試技術領域，特別是涉及到一種能夠均勻施加軸向壓縮和剪切載荷的試驗裝置。
背景技術：
平板和加筋平板是航空航天飛行器和水面艦艇等結構中典型的受力構件，它們大多處于壓縮和剪切復合受力狀態，這類結構件在壓剪復合下的穩定性和強度是結構力學中非常重要的研究課題，特別對于現代飛行器大多采用的加筋薄壁結構在復雜載荷下的穩定性和強度的研究，所以急需在實驗室中實現這種復合載荷的加載，以便對設計的結構件的穩定性和強度進行驗證，也可以為以后進行結構優化和改進提供依據。以往對于這類結構件實現壓剪復合加載比較困難，比較常用的方法是采用通過加筋壁板和縱墻等結構件組合而成的盒式結構(簡稱“盒段”)來實現，對盒段施加彎扭載荷從而使上下壁板受到“壓剪”和“拉剪”復合載荷，但是這種方法的盒段制造成本和試驗成本都很高，進行大量的試驗將耗資巨大。為了節約成本從而可以對平板和加筋平板的穩定性和材料強度進行廣泛的試驗研究，已經開發了幾個試驗裝置來進行這種“壓剪”和“拉剪”復合載荷的施加。專利號為89102131的專利公開了一種在普通壓力試驗機上以單一軸向壓力實現對矩形板壓剪復合加載的方法及試驗裝置，這種裝置通過普通壓力試驗機施加的軸向壓縮載荷中心和剪切載荷中心是共面的，所以該裝置只適用于平板，但是對于加筋平板，軸向壓縮載荷中心和剪切載荷中心并不共面，以上試驗裝置則不再適用。而且以上裝置采用的“側加載塊”存在“邊框效應”，所謂“邊框效應”是指加筋平板的四邊在安裝上“側加載塊”之后，在承受軸向壓縮載荷時，“側加載塊”加強了試驗件的邊界，使得軸向壓力的一部分被加載塊平衡，嚴重影響軸壓載荷的加載效果，實際試驗中這種“邊框效應”比較明顯。另外當壓縮載荷與剪切載荷的比例需要改變時，則必須更換部分夾具，試驗安裝技術要求非常高，安裝使用不方便。專利號為200510038803. 7的專利公開了一種拉剪壓剪復合加載試驗裝置，該裝置與以上裝置類似，也是通過普通試驗機實現復合載荷的施加的，所以在進行壓剪試驗時同樣不適用于加筋平板，而且該裝置中采用的“剪切與拉壓加載夾板”同樣存在邊框效應，并且其壓剪加載的具體實施方式
也是有疑問的。
發明內容
發明目的本發明提供了一種能夠均勻施加軸向壓縮載荷和剪切載荷的試驗裝置，該裝置既適用于平板，又適用于加筋平板。技術方案一種能夠均勻施加軸向壓縮載荷和剪切載荷的試驗裝置，包括剪切載荷施加組件1、軸向壓縮載荷施加組件2、下平臺組件3以及加筋平板組件4 ；所述剪切載荷施加組件I包括轉動平臺101、固定在轉動平臺101上的左立柱組合件102和右立柱組合件103、上橫梁104、以及固定在轉動平臺101上的調平裝置105，轉動平臺101與下平臺組合件3通過大轉軸301連接；所述左立柱組合件102和右立柱組合件103設置有數量相等的均載器102b，均載器102b在左立柱組件102和右立柱組件103上形成相反的力傳遞方向；所述左立柱組件102上還設置有剪切作動筒102g以及與其相連接的橫向載荷傳感器102h，與剪切作動筒102g相鉸接的后置雙耳102i固定在左立柱102a上，前置雙耳102j與橫向載荷傳感器102h采用螺紋連接。所述軸向壓縮載荷施加組件2包括軸壓作動筒201、與軸壓作動筒201連接的縱向載荷傳感器202、與縱向載荷傳感器202相連接的球形壓頭203、球形槽底座204、球形蓋板205、以及壓縮平臺206，軸向壓縮載荷施加組件2固定在剪切載荷施加組件I的上橫梁104上；所述下平臺組件3包括大轉軸301、支持單耳302、支持平臺303、支持角形件304、以及下平臺305，支持單耳302與支持平臺303都固定在下平臺305上，支持角形件304的作用是將加筋平板組件4固定在支持平臺303上，并傳遞剪切載荷；所述加筋平板組件4包括加筋平板401、加強片402布置在加筋平板401的左右兩邊，上下加強片402之間留有間隙，加載軸403與加強片402的中心孔益采用過渡配合以保證剪切載荷傳遞的均勻性，雙拉板404與加筋平板401采用單排螺栓連接，雙拉板404使得剪切載荷中心與加筋平板蒙皮厚度方向的中心面保持一致。所述均載器102b的后端與后雙耳102c鉸接，后雙耳102c固定在左立柱102a和右立柱103a上，另一端與前雙耳102d固定，前雙耳與三角杠桿102e鉸接，小轉軸102f固定在左立柱102a和右立柱103a上，三角杠桿102e可以繞小轉軸102f轉動。有益效果本發明提供了一種能夠均勻施加軸向壓縮載荷和剪切載荷的試驗裝置。該裝置所采用的壓縮載荷與剪切載荷分開加載的技術使得該裝置既適用于平板，又適用于加筋平板，而且該裝置能夠在加筋平板安裝姿態不變的情況下實現單一軸向壓縮載荷與單一剪切載荷的試驗調試，從而可以為壓剪載荷聯合作用下壁板的應力狀態分析提供參考。由此而知，該裝置具備單獨進行軸向壓縮試驗和單獨進行純剪切試驗的能力，而且安裝方便、一步到位。該裝置應用整體框架的自平衡原理并且采用“均載器”來施加剪力，使剪力的施加更加均勻，在不需更換夾具的情況下只需調整縱向作動筒和橫向作動筒的加載比例就可以實現任意壓剪比例的加載，采用的分段式剪切加強塊不會增加加筋平板的軸向剛度，不影響壓縮載荷的施加效果，不存在“邊框效應”。
圖1為本發明整體結構示意圖；圖2為剪切載荷施加組件結構示意圖；圖3左立柱組件內部結構圖；圖4右立柱組件內部結構圖；圖5為軸向壓縮載荷施加組件結構示意圖；圖6為下平臺組件結構示意圖；圖7為加筋平板組件結構示意圖；圖8為剪切載荷施加組件受力狀態示意圖；圖9為加筋平板受力狀態示意圖10均載器受力狀態示意圖；圖11加筋平板剪切角變形示意圖；圖12為剪切載荷施加組件轉動方式示意圖；圖13為壓縮載荷中心與剪切載荷中心位置示意圖；圖14為剪切載荷中心與下平臺中心俯視圖。圖15為上橫梁移動方向示意圖。其中，1-剪切載荷施加組件2-軸向壓縮載荷施加組件3-下平臺組件4-加筋平板組件101-轉動平臺102-左立柱組件102a-左立柱102b-均載器102c_后雙耳102d-前雙耳102e-三角杠桿102f-小轉軸102g-剪切作動筒102h_橫向載荷傳感器1021-后置雙耳，102j-前置雙耳103右立柱組件103a-右立柱104-上橫梁105-調平裝置201-軸壓作動筒202-縱向載荷傳感器203-球形壓頭204-球形槽底座205-球形蓋板206-壓縮平臺301-大轉軸302-支持單耳303-支持平臺，304-支持角形件305-下平臺401-加筋平板402-加強片403-加載軸404-雙拉板
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述，請參閱圖1至圖15。一種能夠均勻施加軸向壓縮載荷和剪切載荷的試驗裝置，如圖1所示，包括剪切載荷施加組件1、軸向壓縮載荷施加組件2、下平臺組件3以及加筋平板組件4。如圖2所示,所述剪切載荷施加組件I包括轉動平臺101、固定在轉動平臺101上的左立柱組合件102和右立柱組合件103、上橫梁104、以及固定在轉動平臺101上的調平裝置105，轉動平臺101與下平臺組合件3通過大轉軸301連接；如圖3、圖4所示，為了使內部結構的布置清晰可見，隱藏了左102a與右立柱103a的部分結構。所述左立柱組合件102和右立柱組合件103設置有數量相等的均載器102b，均載器102b的后端與后雙耳102c鉸接，后雙耳102c固定在左立柱102a和右立柱103a上，另一端與前雙耳102d固定，前雙耳102d與三角杠桿102e鉸接，小轉軸102f固定在左立柱102a/右立柱103a上，三角杠桿102e可以繞小轉軸102f轉動，均載器102b在左立柱組件102和右立柱組件103上形成相反的力傳遞方向；所述左立柱組件102上還設置有剪切作動筒102g以及與其相連接的橫向載荷傳感器102h，與剪切作動筒102g相鉸接的后置雙耳102i固定在左立柱102a上，前置雙耳102 j與橫向載荷傳感器102h采用螺紋連接。剪力的施加應用了框架的自平衡原理來實現，如圖8、圖9所示，剪切載荷施加組件I與加筋平板組件4采用銷釘連接。加載時，左立柱組件102中的剪切作動筒102g通過雙拉板404將拉力F1施加在加筋平板401的上端頭，由于力的作用是相互的，剪切載荷施加組件I也受到與拉力F1大小相等、方向相反的拉力F/,剪切載荷施加組件I可以繞大轉軸301轉動，拉力F/所產生的轉矩使剪切載荷施加組件I產生向右側轉動的趨勢，左/右立柱組件102/103中的三角杠桿102e與加筋平板組件4中的加載軸403之間是接觸配合，剪切載荷施加組件I產生轉動趨勢后三角杠桿102e壓緊加載軸403，為了平衡由于力F/所產生的轉矩，左/右立柱組件102/103將會受到一對力偶F/的作用來平衡力F/所產生的轉矩，由力的反作用原理可知加筋平板401的左右兩個邊將分別受到大小相等方向相反的力F2的作用，由于加筋平板401底邊固定在下平臺組件3上，根據力的平衡原理可知，必然有與拉力F1大小相等，方向相反的力通過加筋平板401的底邊。如圖8所示，剪切載荷施加組件I可以繞大轉軸301轉動，大轉軸301的中心與加筋平板401底邊剪力中心線相重合。假設加筋平板401所受拉力F1的力臂為L1，左右兩邊所受F2的力臂為L2,由力矩的平衡原理可得到以下等式=F1XL1=F2XLy對于加筋平板401而言，上下兩個剪切邊的剪流為F1Zl2,左右兩個剪切邊的剪流為F2Zl1，根據以上等式可推出F1Zl2=F2Zl1,即加筋平板401的四個剪切邊的剪流都相等。如圖9、圖10所示，剪切載荷施加的另一方面是均載器102b的使用，圖9中為了使內部結構清晰可見，略去了左立柱102a、右立柱103a、以及轉動平臺101。如圖10，三角杠桿102e可以繞小轉軸102f轉動，將加載軸403的豎直方向反力轉換為均載器102a活塞桿運動方向壓力，均載器102b是多個并聯，所有均載器102b的后油腔分別并聯在一個油路上，當活塞桿受壓油腔內產生壓力時，并聯的作用是可以使每個均載器102b后油腔內的壓力一致，使各個均載器102b的加載點載荷相對誤差減小，從而可以使剪切載荷的施加更加均勻。左立柱102a和右立柱103a的側面都需開孔用以滿足均載器102b與剪切作動筒102g的油管接入預留空間的要求。施加剪切載荷也可以用均載器102b主動加載，原理與以上相同。只需要將左立柱組件102上的剪切作動筒102g換成足夠強度的螺桿即可。如圖5所示,所述軸向壓縮載荷施加組件2包括軸壓作動筒201、與軸壓作動筒201連接的縱向載荷傳感器202、與載荷傳感器202相連接的球形壓頭203、球形槽底座204、球形蓋板205、以及壓縮平臺206，軸向壓縮載荷施加組件2固定在剪切載荷施加組件I的上橫梁104上；軸壓載荷的施加實施方式見圖5，軸壓作動筒201提供的軸向壓力通過縱向載荷傳感器3及球形壓頭203作用到與之相配合的球形槽底座204上，球形槽底座204固定在壓縮平臺206上，壓縮平臺204要有足夠的厚度才能將軸壓作動筒201施加的集中載荷擴散均勻，作用在加筋平板401上。球形槽底座204內是一個半球形凹槽，它與球形壓頭203構成了一個球面副，具有三個方向的自由度。球形槽底座204與壓縮平臺206的重量由球形蓋板205上的四個螺釘支撐，球形蓋板205內部也是一個局部球形凹槽，為了保證球形壓頭203與球形蓋板205和球形槽底座204之間緊密接觸且活動自如，其較高的加工精度是必不可少的，并需要在球形槽底座204的內部灌注潤滑油脂。球形壓頭203與球形槽底座204的另外一個作用是當加筋平板401受到剪切載荷的作用而產生角變形時(見圖11)，剪切載荷施加組件I繞大轉軸301轉動，由于軸壓作動筒201固定于上橫梁104中心位置，上橫梁104的中心又與轉動中心重合，所以不論剪切載荷施加組件I轉了多少角度，軸向載荷P的加載中心始終指向轉動中心，如圖12。球形壓頭203與球形槽底座204是球面接觸，受壓剪復合載荷狀態下的加筋平板401的受壓上端面始終保持水平姿態，當加筋平板401產生角變形時，壓縮平臺206將繼續保持水平姿態，不受剪切載荷施加組件I轉動的影響，球形壓頭203將隨剪切載荷施加組件I 一并繞大轉軸301轉動相同的角度。如圖6所示，所述下平臺組件3包括大轉軸301、支持單耳302、支持平臺303、支持角形件304、以及下平臺305，支持單耳302與支持平臺303都固定在下平臺305上，支持角形件304的作用是將加筋矩形平板組件4固定在支持平臺303上，并傳遞剪切載荷。如圖7所示，所述加筋矩形平板組件4包括加筋矩形平板401、加強片402固定在加筋矩形平板401的左右兩邊，加載軸403與加強片402的中心孔益采用過渡配合、以保證剪切載荷傳遞的均勻性，雙拉板404與加筋矩形平板采用單排螺栓連接，雙拉板404的設計應使得剪切載荷中心與加筋矩形平板蒙皮厚度方向的中心面保持一致。加筋矩形平板401的軸向壓縮載荷加載中心在蒙皮/長桁壓心位置，剪切載荷加載中心位于蒙皮厚度方向中心面位置，兩者不共面，如圖13。本裝置將左立柱組合件102上的剪切作動筒102g的加載中心、左/右立柱組合件102/103上的均載器102b的加載中心與支持平臺303的中心面重合，如圖14所示。安裝時，將加筋平板的蒙皮中心準確的安裝到支持平臺中心上，必須確保剪切載荷通過蒙皮中心。如前所述，加筋平板401的壓心與剪心不共面，在確定剪心位置后，需要針對加筋平板401筋條(也可稱為“長桁”)高度的不同對軸向壓縮載荷加載中心做出調整，調整通過移動軸壓作動筒201來實現，如圖13，由于軸壓作動筒201固定在上橫梁104上，上橫梁104連接在左/右立柱102a/103a上，故可以利用上橫梁104上的槽型孔調整上橫梁104與立柱的相對位置，從而實現加載中心的調整，如圖15。在進行含有剪切載荷工況的試驗時，需要調平剪切載荷施加組件I，調平工作利用調平裝置105進行，搖動調平裝置105上的手輪來實現剪切載荷施加組件I的正時針或逆時針旋轉，待調整至水平狀態后需要給左立柱組合件102和右立柱組合件103進行配重，使其重量相等，配重后旋起調平裝置105，使橫向載荷傳感器102h上沒有初始載荷，剪切載荷施加組件I只受大轉軸301的支撐而保持平衡。因為本裝置產用了軸壓和剪切載荷分開加載的方式進行，因此本裝置既可以實現單獨施加軸壓或剪切載荷，又可以聯合施加軸壓/剪切載荷，采用加強片402等間距分開布置在加筋平板401上，軸向壓縮載荷的施加不受影響，使加載不存在邊框效應，可以實現任意壓剪比例載荷的加載，適用于任何長桁高度的加筋平板。
權利要求
1.一種能夠均勻施加軸向壓縮載荷和剪切載荷的試驗裝置，其特征在于，包括剪切載荷施加組件[I]、軸向壓縮載荷施加組件[2]、下平臺組件[3]以及加筋平板組件[4]； 所述剪切載荷施加組件[I]包括轉動平臺[101]、固定在轉動平臺[101]上的左立柱組合件[102]和右立柱組合件[103]、上橫梁[104]、以及固定在轉動平臺[101]上的調平裝置[105]，轉動平臺[101]與下平臺組合件[3]通過大轉軸[301]連接；所述左立柱組合件[102]和右立柱組合件[103]設置有數量相等的均載器[102b]，均載器[102b]在左立柱組件[102]和右立柱組件[103]上形成相反的力傳遞方向；所述左立柱組件[102]上還設置有剪切作動筒[102g]以及與其相連接的橫向載荷傳感器[102h]，與剪切作動筒[102g]相鉸接的后置雙耳[102i]固定在左立柱[102a]上，前置雙耳[102j]與橫向載荷傳感器[102h]采用螺紋連接； 所述軸向壓縮載荷施加組件[2]包括軸壓作動筒[201]、與軸壓作動筒[201]連接的縱向載荷傳感器[202]、與縱向載荷傳感器[202]相連接的球形壓頭[203]、球形槽底座[204]、球形蓋板[205]、以及壓縮平臺[206]，軸向壓縮載荷施加組件[2]固定在剪切載荷施加組件[I]的上橫梁[104]上； 所述下平臺組件[3]包括大轉軸[301]、支持單耳[302]、支持平臺[303]、支持角形件[304]、以及下平臺[305]，支持單耳[302]與支持平臺[303]都固定在下平臺[305]上，支持角形件[304]的作用是將加筋平板組件[4]固定在支持平臺[303]上，并傳遞剪切載荷；所述加筋平板組件[4]包括加筋平板[401]、加強片[402]布置在加筋平板[401]的左右兩邊，上下加強片[402]之間留有間隙，加載軸[403]與加強片[402]的中心孔益采用過渡配合以保證剪切載荷傳遞的均勻性，雙拉板[404]與加筋平板[401]采用單排螺栓連接，雙拉板[404]使得剪切載荷中心與加筋平板蒙皮厚度方向的中心面保持一致。
2.根據權利要求1所述的一種能夠均勻施加軸向壓縮和剪切載荷的試驗裝置，其特征在于，所述均載器[102b]的后端與后雙耳[102c]絞接，后雙耳[102c]固定在左立柱[102a]和右立柱[103a]上，另一端與前雙耳[102d]固定，前雙耳與三角杠桿[102e]鉸接，小轉軸[102f]固定在左立柱[102a]和右立柱[103a]上，三角杠桿[102e]可以繞小轉軸[102f]轉動。
全文摘要
本發明屬于航空強度測試技術領域，特別是涉及一種能夠均勻施加軸向壓縮和剪切載荷的試驗裝置，包括剪切載荷施加組件1、軸向壓縮載荷施加組件2、下平臺組件3以及加筋平板組件4。本裝置所采用的壓縮載荷與剪切載荷分開加載的技術使得該裝置既適用于平板，又適用于加筋平板，而且該裝置能夠在加筋平板安裝姿態不變的情況下實現單一軸向壓縮載荷與單一剪切載荷的試驗調試，從而可以為壓剪載荷聯合作用下壁板的應力狀態分析提供參考。該裝置應用整體框架的自平衡原理并且采用“均載器”來施加剪力，使剪力的施加更加均勻，采用的分段式剪切加強塊不會增加加筋平板的軸向剛度，不影響壓縮載荷的施加效果，不存在“邊框效應”。
文檔編號G01N3/24GK103033418SQ20121052861
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者柴亞南, 李崇, 王力立, 劉國強 申請人:中國飛機強度研究所