彎曲疲勞測試儀器及測試系統的制作方法

本實用新型涉及力學性能測試技術領域，具體而言，涉及一種彎曲疲勞測試儀器及測試系統。

背景技術：

材料疲勞測試是利用金屬試樣或模擬機件在各種環境下，經受交變載荷循環作用而測定其疲勞性能判據，并研究其斷裂過程、評定材料、零部件或整機的疲勞強度及疲勞壽命的試驗。金屬疲勞試驗種類很多，通常可分為高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、沖擊疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、真空疲勞、高溫疲勞、常溫疲勞、低溫疲勞、旋轉彎曲疲勞、平面彎曲疲勞、軸向加載疲勞、扭轉疲勞、復合應力疲勞等。應根據金屬制件的工作條件來選擇適宜的疲勞試驗方法。目前，可測試彎曲疲勞測試的裝置較少。

在測試的動態過程中，不能借助于掃描電子顯微鏡、拉曼光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、超景深顯微鏡等顯微成像組件對被測試件彎曲加載工況下，開展原位實時的動態監測，缺少對宏觀尺寸的跨尺度原位納米力學測試的深入研究，從而嚴重阻礙了微小結構材料的微觀力學行為和損傷機制新現象、新規律的發現。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種彎曲疲勞測試儀器，通過對彎曲疲勞測試儀器結構的改進，采用壓電疊堆、柔性鉸鏈對材料進行抗疲勞測試，實現了同時對材料進行彎曲測試及抗疲勞測試，解決了以往不同性能用不同儀器測試，使操作復雜的問題。

本實用新型的另一目的在于提供一種測試系統，該系統通過彎曲疲勞測試儀器、數據處理與性能表征儀器配合使用，實現了實時調控測試數據，全程動態監測力學測試過程，深入的揭示各類材料及其制品的微觀力學行為、損傷機理及載荷作用與材料性能間的相關規律。

本實用新型的實施例是這樣實現的：

一種彎曲疲勞測試儀器，用于對被測試樣進行疲勞性能測試，包括底座、測試裝置、用于夾持被測試樣的夾持裝置、與夾持裝置匹配的第一驅動組件。夾持裝置、測試裝置、第一驅動組件分別固定于底座；測試裝置包括依次連接的第二驅動組件、檢測元件、測試元件。第一驅動組件驅動夾持裝置使被測試樣在第一方向運動，第二驅動組件驅動檢測元件和測試元件在第一方向同步進行往復運動，使測試元件以預設的頻率和振幅擠壓被測試樣。

優選地，第二驅動組件包括第二驅動元件、固定元件，固定元件固定于底座，并在第一方向面向夾持裝置延伸，固定元件具有與檢測元件連接的運動部，第二驅動元件設置于固定元件并驅動運動部在第一方向進行往復運動。

優選地，第二驅動元件為壓電疊堆。

優選地，固定元件為柔性鉸鏈。

優選地，第一驅動組件包括分別固定于底座的伺服電機和傳動機構，傳動機構與底座連接，伺服電機通過傳動機構驅動夾持裝置在第一方向運動。

優選地，傳動機構包括相互配合的第一蝸桿和第一蝸輪、相互配合的第二蝸桿和第二蝸輪、轉軸、絲杠以及與絲杠配合的連接板。第一蝸桿與伺服電機的輸出軸連接且同步轉動，并與第一蝸輪配合轉動，第一蝸輪帶動套設于轉軸的第二蝸桿轉動，第二蝸桿與套設于絲杠的第二蝸輪配合轉動，使連接板推動夾持裝置在第一方向運動。

優選地，傳動機構還包括第一支撐結構和第二支撐結構；第一支撐結構包括相對設置且分別與底座連接的第一固定部和第二固定部，轉軸的兩端分別轉動設置于第一固定部和第二固定部。第二支撐結構包括相對設置且分別與底座連接的第一連接件和第二連接件，絲杠的兩端分別轉動設置于第一連接件和第二連接件。

優選地，夾持裝置包括相對設置的第一夾具和第二夾具、與底座滑動連接的基座，第一夾具和第二夾具與基座固定連接，第一夾具包括相互配合連接的第一支連接部和第一夾頭，第二夾具包括相互配合連接的第二連接部和第二夾頭，被測試樣的兩端分別被夾持于第一夾頭和第二夾頭。

優選地，第一夾頭具有與第一方向垂直的第二方向，第一夾頭在第二方向相對第一連接部滑動，第二夾頭在第二方向相對第二連接部滑動。

一種測試系統，包括數據處理器、表征儀器、彎曲疲勞測試儀器，數據處理器與檢測元件數據通信連接；表征儀器與彎曲疲勞測試儀器配合工作，在被測試樣受到預設的頻率和振幅擠壓時，對被測試樣進行性能表征及形貌監測。

本實用新型實施例的有益效果：

本實用新型提供一種彎曲疲勞測試儀器，通過對彎曲疲勞測試儀器結構的改進，采用壓電疊堆、柔性鉸鏈對材料進行抗疲勞測試，實現了同時對材料進行彎曲測試及抗疲勞測試，解決了以往不同性能用不同儀器測試，使操作復雜的問題。本實用新型的另一目的在于提供一種測試系統，該系統通過彎曲疲勞測試儀器、數據處理與性能表征儀器配合使用，實現了實時調控測試數據，全程動態監測力學測試過程，深入的揭示各類材料及其制品的微觀力學行為、損傷機理及載荷作用與材料性能間的相關規律。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本實用新型實施例1提供的彎曲疲勞測試儀器的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例1提供的彎曲疲勞測試儀器的結構示意圖；

圖3為本實用新型實施例1提供的彎曲疲勞測試儀器的結構示意圖；

圖4為本實用新型實施例1提供的彎曲疲勞測試儀器的結構示意圖；

圖5為本實用新型實施例1提供的測試元件的結構示意圖；

圖6為本實用新型實施例1提供的測試元件的結構示意圖。

圖標：100-彎曲疲勞測試儀器；110-底座；111-底板；113-側板；120-測試裝置；121-第二驅動組件；123-檢測元件；125-測試元件；1251-單錐體；1253-雙錐體；127-第二驅動元件；129-固定元件；1291-固定部；1293-運動部；1295-第二凹槽；1297-第一通孔；1299-第二通孔；130-夾持裝置；131-第一夾具；1311-第一連接部；1313-第一夾頭；132-第一凹槽；133-第二夾具；1331-第二連接部；1333-第二夾頭；135-基座；137-滑塊；139-導軌；140-第一驅動組件；141-伺服電機；143-支座；150-傳動機構；151-第一蝸桿；152-第一蝸輪；153-第二蝸桿；154-第二蝸輪；155-轉軸；156-絲杠；157-連接板；161-第一支撐結構；162-第一固定部；163-第二固定部；164-第二支撐結構；165-第一連接件；166-第二連接件。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本實用新型的范圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該實用新型產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，術語“水平”、“豎直”、“懸垂”等術語并不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如“水平”僅僅是指其方向相對“豎直”而言更加水平，并不是表示該結構一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

下面結合附圖，對本實用新型的一些實施方式作詳細說明。在不沖突的情況下，下述的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

實施例1

請參照圖1，本實施例提供一種彎曲疲勞測試儀器100，包括底座110、測試裝置120、用于夾持被測試樣的夾持裝置130、與夾持裝置130匹配的第一驅動組件140，夾持裝置130、測試裝置120、第一驅動組件140分別固定于底座110。

在本實施例中，底座110為L形結構，包括底板111和側板113。在本實用新型的其他實施例中，底座110可以為其他形狀，本實用新型對其不做限定。

第一驅動組件140包括分別固定于底座110的伺服電機141和傳動機構150，傳動機構150與底座110連接，伺服電機141通過傳動機構150驅動夾持裝置130在第一方向X運動。

請參照圖2，傳動機構150包括相互配合的第一蝸桿151和第一蝸輪152、相互配合的第二蝸桿153和第二蝸輪154、轉軸155、絲杠156以及與絲杠156配合的連接板157。伺服電機141通過支座143安裝在底板111遠離測試裝置120的一側，第一蝸桿151與伺服電機141遠離測試裝置120的一端連接，第一蝸桿151與伺服電機141的輸出軸同步轉動。第一蝸桿151與第一蝸輪152配合轉動，第一蝸輪152與轉軸155的一端連接，第一蝸輪152帶動套設于轉軸155的第二蝸桿153轉動。第二蝸桿153與第二蝸輪154配合轉動，第二蝸輪154與絲杠156的一端連接，第二蝸輪154驅動套設于絲杠156的連接板157在第一方向X運動。

傳動機構150還包括第一支撐結構161和第二支撐結構164。第一支撐結構161包括相對設置的第一固定部162和第二固定部163。第一固定部162和第二固定部163分別設置在底板111遠離測試裝置120的端面的兩端，轉軸155遠離第一蝸輪152的一端穿過第二固定部163與第一固定部162連接，轉軸155在第一支撐結構161中轉動。第二支撐結構164包括相對設置的第一連接件165和第二連接件166。第一連接件165與底板111的上表面遠離測試裝置120的一端固定連接，第二連接件166安裝于第一連接件165與側板113之間。絲杠156遠離第二蝸輪154的一端穿過第一連接件165與第二連接件166活動連接，絲杠156可在第二支撐結構164中轉動。在本實施例中，第一支撐結構161與第二支撐結構164為方形結構，在本實用新型的其他實施例中，第一支撐結構161與第二支撐結構164可以為其他形狀，本實用新型對其形狀不做限定。

請參照圖2和圖3，夾持裝置130與第一驅動組件140連接，第一驅動組件140驅動夾持裝置130在第一方向X運動。夾持裝置130包括相對設置的第一夾具131和第二夾具133、基座135。基座135設置于第一連接件165與第二連接件166之間，與連接板157固定連接。基座135的兩端分別固定連接滑塊137，底板111的上表面設有與基座135兩端的滑塊137相配合的導軌139，滑塊137帶動基座135隨連接板157在第一方向X運動。基座135遠離滑塊137的兩端分別與第一夾具131和第二夾具133固定連接。第一夾具131包括相互配合連接的第一連接部1311和第一夾頭1313，第二夾具133包括相互配合連接的第二連接部1331和第二夾頭1333。第一連接部1311、第二連接部1331與基座135螺栓連接，在本實施例中，第一連接部1311、第二連接部1331為長方體，在本實用新型的其他實施例中，第一連接部1311、第二連接部1331可以為棱柱體，本實用新型對其不做限定。第一夾頭1313、第二夾頭1333設有第一凹槽132，第一夾頭1313、第二夾頭1333通過第一凹槽132與第一連接部1311、第二連接部1331卡接，再通過螺栓與第一連接部1311、第二連接部1331緊固，實現可拆卸連接，第一夾頭1313、第二夾頭1333在第二方向Y分別相對第一連接部1311、第二連接部1331滑動，調節第一夾頭1313、第二夾頭1333間的距離，第二方向Y與第一方向X相互垂直。

請參照圖4，測試裝置120包括依次連接的第二驅動組件121、檢測元件123、測試元件125，第二驅動組件121包括第二驅動元件127、固定元件129，第二驅動元件127為壓電疊堆，固定元件129為柔性鉸鏈，柔性鉸鏈利用了彈性材料微小變形及其自回復的特性，消除了傳動過程中的空程和機械摩擦，能獲得超高的位移分辨率。

在本實施例中，柔性鉸鏈為長方體，本實用新型對其形狀不做限定。柔性鉸鏈具有固定部1291與運動部1293，固定部1291通過螺栓固定連接于底座110的側板113端面，柔性鉸鏈的運動部1293依次與檢測元件123、測試元件125固定連接。運動部1293遠離測試元件125的一側設有第二凹槽1295，第二凹槽1295的尺寸大小與壓電疊堆的尺寸大小相匹配，壓電疊堆緊固于第二凹槽1295中，壓電疊堆在第一方向X帶動運動部1293運動。壓電疊堆與運動部1293之間設有以柔性鉸鏈中心軸線相互對稱的第一通孔1297，本實用新型對第一通孔1297的形狀不做限定，例如，第一通孔1297為圓形或多邊形。在壓電疊堆的兩側，設有以柔性鉸鏈中心軸線相互對稱的第二通孔1299，本實用新型對第二通孔1299的形狀不做限定，例如，第二通孔1299為矩形。第二通孔1299與第二凹槽1295連通。壓電疊堆以預設的頻率振動時，帶動運動部1293在第一方向X做往復運動，第一通孔1297與第二通孔1299起到柔性加載的作用，使得柔性鉸鏈在伸縮的過程中，不會產生過大的沖擊，并且還起到儲能的作用。第一通孔1297與第二通孔1299為對稱設計，是為了確保運動部1293受力均勻，無偏轉地沿第一方向X運動。

在本實施例中，壓電疊堆的位移范圍在15μm以內，頻率可達到1000Hz，柔性鉸鏈運動部1293的位移范圍與壓電疊堆一致。測試元件125為壓頭，如圖5，在本實施例中，壓頭為單錐體1251，與被測試樣相互作用時，產生一個作用力，彎曲疲勞測試儀器100在工作時，被測試樣產生三點彎曲。在本實用新型的其他實施例中，壓頭可以為雙錐體1253，如圖6，與被測試樣相互作用時，產生兩個作用力，彎曲疲勞測試儀器100在工作時，被測試樣產生四點彎曲；即可以通過更換壓頭對被測試樣進行三點或四點彎曲測試。檢測元件123為傳感器，傳感器接收并傳輸測試元件125受到的被測式樣的作用力。壓電疊堆、傳感器均為本領域通用設備，本實用新型對其結構不做限定。

調節第一夾頭1313與第二夾頭1333間的距離，將被測試樣夾持于夾持裝置130。通過伺服電機141的驅動，調節被測試樣與壓頭間的距離，當被測試樣與壓頭間距縮小、相接觸后，繼續驅動夾持裝置130，被測試樣受到壓頭的作用力并產生形變。壓電疊堆通電后產生振動，作用于柔性鉸鏈，通過柔性鉸鏈帶動壓頭運動，使壓頭沿第一方向X在小于15μm的范圍內發生往復運動，壓頭遠離柔性鉸鏈的一端作用于被測試樣，對被測試樣進行疲勞測試。

實施例2

本實施例提供一種測試系統，包括數據處理器、表征儀器、彎曲疲勞測試儀器100。數據處理器與彎曲疲勞測試儀器100連接，傳感器接收壓頭受到的作用力，將該數據傳輸給數據處理器，數據處理器根據彎曲強度理論公式及撓曲線方程進行數據處理。

彎曲強度理論公式：

撓曲線方程：

彎曲強度理論公式與撓曲線方程均為材料力學基本公式。

表征儀器與彎曲疲勞測試儀器100相互配合，在彎曲疲勞測試儀器100工作時，可利用表征儀器對被測試樣進行微觀形貌分析及性能表征，表征儀器如電子顯微鏡、金相顯微鏡、光譜儀，本實用新型對其不做限定。

為簡化表示，本實施例中未提及處，請參閱實施例1中相應內容。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。